18248

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. БЕСПРИМЕСНЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Лекция

Физика

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. БЕСПРИМЕСНЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами проводниками электрического тока и диэлектриками. Особенность электро

Русский

2013-07-07

763.5 KB

38 чел.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. БЕСПРИМЕСНЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками.

Особенность электропроводности полупроводников обусловливается спецификой распределения по энергиям электронов атомов, которое характеризуется энергетической диаграммой полупроводника.                                                      We

Электроны атома могут обладать определенными значениями энергии или находиться на определенных (разрешенных) энергетических у р о в н я х (рис. 1.1). В изолированном атоме существует конечное число энергетических уровней, на каждом из которых могут одновременно находиться не более двух электронов. Электроны на низших уровней сильно связаны с атомом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном, эта связь ослабевает.

                                                                                                                      

 Рис.1.1.

В отсутствие внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов, атом находится в исходном (невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетические уровни заняты электронами, а верхние — свободны.  При наличии внешних воздействий (тепловые кванты — фононы,  кванты света  — фотоны,  электрическое или магнитное поле и др.) электроны атома приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни (возбуждение атома) или вовсе освобождаются от атома и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация атома). При этом внешнему воздействию подвержены электроны высоких энергетических уровней, слабее связанные с атомом.

Энергетическая диаграмма группы близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2).

              We

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма группы (четырех) близко расположенных атомов

Вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близко расположенные смещенные уровни энергии — подуровни. При этом смещению подвергаются и уровни высоких энергий, где электроны слабо связаны с атомами. Подуровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в группе. Кристалл твердого тела характеризуется большим количеством близко расположенных атомов. Поэтому число подуровней, входящих в разрешенные зоны его энергетической диаграммы, довольно велико.

Носители заряда в беспримесных (чистых) полупроводниках

На электропроводность твердого тела оказывает существенное влияние расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии в верхней части энергетической диаграммы (рис. 1 2). В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Электронам валентной зоны достаточно сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону свободных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического поля в металле имеется большое число свободных (не связанных с атомами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электрическую проводимость.

В полупроводниках свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной энергии. Необходимость сообщения достаточной энергии для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с металлом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.

Способность преодоления электронами запрещенной зоны зависит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температуры кристалла, которое проявляется воздействием на электроны атомов полупроводника тепловых квантов (фононов), излучаемых при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Повышению температуры соответствует увеличение энергии фононов и рост числа электронов, способных получить необходимую энергию для преодоления запрещенной зоны. По этой причине с повышением температуры проводимость чистых полупроводников возрастает.

Диэлектрики отличаются от полупроводников более широкой запрещенной зоной. В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становится заметной лишь при температуре не ниже 400—800°С или сильных электрических полях (пробой).

Наличие запрещенной зоны обусловливает особенности образования носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлами. Германий и кремний получают наибольшее распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.

Германий и кремний принадлежат к IV группе Периодической системы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четыре валентных электрона. Кристаллическая решетка этих полупроводников имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Двумерная (плоскостная) модель кристаллической решетки имеет вид, показанный на рис. 1.4, а (на примере германия).

В отсутствие структурных дефектов и при Т = 0 К четыре валентных электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в так называемых парноэлектронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных четырех атомов кристалла. При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании парноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами. Парноэлектронные связи показаны на рис. 1.4, а в виде двух параллельных линий, связывающих атомы, расположенные в соседних узлах кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов                                                                         

                                                                              -  e        

 

                                                                              запрещенная зона

Рис.  1.4. Возникновение свободного электрона и дырки в кристалле полупроводника (а) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б); схема движения дырки в кристалле полупроводника (в

кристалла в создании ковалентных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях энергии валентной зоны (рис  1.3, б; 1.4, б).

Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становится достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кристаллической решетки. Валентный электрон освобождается от связей и становится свободным (рис. 1.4, а). Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости (рис. 1.4,6). Свободный электрон способен изменять свою энергию и перемещаться между узлами кристаллической решетки под воздействием электрического поля, т. е. участвовать в создании тока.

Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так называемой дырки. Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который и приписывают дырке. На энергетической диаграмме (рис. 1.4, б) образование дырки после перехода электрона в зону проводимости отождествляют с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, позволяющего электронам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами) изменять энергию под воздействием электрического поля, т. е. перемещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока. Фактическое перемещение валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля при их последовательном заполнении образовавшегося разрыва ковалентной связи может быть заменено движением дырки между узлами кристаллической решетки в противоположном направлении. Валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку с приближением к ней. Дырка исчезает, и восстанавливается ковалентная связь у данного атома, но возникает новая дырка в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как движение дырки.

При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной ионы в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившего название термогенерации носителей заряда, в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов в свободной зоне и равная ей концентрация дырок в валентной зоне (при этом nи pt называют собственными    концентрациями  носителей заряда  в полупроводнике). Концентрация носителей заряда зависит от температуры кристалла, ширины запрещенной зоны. Концентрация носителей заряда в полупроводнике и его электрическая проводимость увеличиваются с повышением температуры и уменьшаются с ростом ширины запрещенной зоны.

Электроны и дырки являются подвижными частицами. Постоянство их концентрации при неизменной температуре обусловливается тем, что в любом элементе объема полупроводника одновременно действуют два процесса: термогенерация носителей заряда, а также исчезновение электронов и дырок за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные уровни валентной зоны (рекомбинация носителей заряда). Соответствующая концентрация устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно количеству рекомбинирующих носителей.

Носители заряда в примесных полупроводниках

При производстве полупроводниковых приборов помимо чистых полупроводников, в частности чистых германия и кремния, являющихся исходными материалами, используют примесные полупроводники.

Введение примеси связано с необходимостью создания в полупроводнике преимущественно электронной либо дырочной электропроводности и увеличения электрической проводимости. В связи с этим различают соответственно электронные (n-типа) и дырочные (p-типа) полупроводники.

Для получения полупроводника с электропроводностью n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем ее называют д о н о р н о й. Для германия и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов.

Рис. 1.5. Возникновение свободного электрона в кристалле полупроводника n-типа (а) и отражение этого процесса на энергетической диаграмме (б)

При внесении такой примеси атомы примеси замещают атомы исходного полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки (рис. 1.5, а). Четыре электрона каждого атома донорной примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый («избыточный») электрон, не участвующий в ковалентной связи, оказывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда, требуется значительно меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения такой энергии (например, энергии фонона при комнатной температуре кристалла) «избыточный» электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается и положительный ион (ионизация атома примеси). В условиях достаточно большой концентрации атомов примеси их ионизация создает некоторую концентрацию в кристалле полупроводника свободных электронов и неподвижных положительных ионов, локализованных в местах расположения атомов примеси. Слой полупроводника остается электрически    нейтральным,    если

освободившиеся электроны не уходят за пределы слоя. При  уходе электронов  под воздействием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое нескомпенсированный положительный объемный заряд.

На энергетической диаграмме полупроводника n-типа (рис. 1.5, б) вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко расположенных друг от друга локальных валентных уровней энергии, заполненных электронами при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется количеством атомов примеси в кристалле. На рис. 1.5, б локальные уровни показаны пунктиром. При комнатной температуре практически все электроны донорных уровней перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании тока.

Концентрация электронов в зоне проводимости (свободных электронов) при этом определяется преимущественно концентрацией введенной примеси, а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону. В соответствии с этим концентрация электронов nп в полупроводнике n-типа существенно выше концентрации дырок рп, образующейся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Можно считать, что в полупроводнике n-типа ток создается в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке (рис. 1.6, а).

а)

Рис. 1.6. Возникновение   дырки  в  кристалле полупроводника  р-типа   (а) и отражение  этого   процесса на энергетической диаграмме (б)

Четвертая

связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки, так как требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон, и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а саму примесь — акцепторной.

В условиях достаточно большой концентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация дырок и отрицательных ионов. Пока число дырок в данном слое полупроводника остается равным числу отрицательных ионов в нем, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дефектов валентной связи (рекомбинация электронов с дырками), в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси.

Рассмотрим процесс образования дырок в полупроводнике р-типа, исходя из его энергетической диаграммы. При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля (рис. 1.6, б). Число локальных уровней определяется концентрацией атомов примеси в кристалле. При комнатной температуре все акцепторные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны. В валентной зоне появится большая концентрация дырок.

Концентрация дырок в валентной зоне при этом определяется имущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси, а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами широкой запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок рр в полупроводнике р-типа существенно больше концентрации свободных электронов nр. По этой причине ток в дырочном полупроводнике переносится в основном дырками. Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны  -неосновными   носителями   заряда. Таким  образом,  в  примесных  полупроводниках  концентрации основных носителей заряда (nп—электронного полупроводника и p- дырочного полупроводника) создаются за счет внесения примеси, а концентрации неосновных носителей заряда (рп, nр — соответственно электронного и дырочного полупроводников) — за счет термогенерации носителей заряда, связанной с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Необходимая примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Дрейфовое и диффузионное движения носителей заряда

В отсутствие электрического поля в кристалле и одинаковой концентрации носителей заряда в объеме полупроводника электроны и дырки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении, распределенном по всем направлениям. Ввиду хаотического характера движения носителей заряда ток в кристалле равен нулю.

Электрическое поле и неравномерность распределения концентраций носителей заряда являются факторами, создающими упорядоченное движение носителей заряда, т. е. обусловливающими электрический ток в кристалле полупроводника. Направленное движение носителей заряда под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей заряда — диффузией (диффузионное движение). В зависимости от характера движения носителей заряда различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей заряда — электронные и дырочные составляющие этих токов.

Перемещение носителей заряда в кристалле под воздействием электрического поля происходит при непрерывном их столкновении с узлами кристаллической решетки и атомами примеси.

Электроны перемещаются в направлении, противоположном действию поля, а дырки — в направлении действия поля.

Плотность тока (проводимость) полупроводников зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей заряда уменьшается с ростом температуры. Это объясняется повышением интенсивности тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке и увеличением вероятности столкновений с ними электронов и дырок. В чистых полупроводниках, несмотря на снижение подвижности носителей, плотность тока и проводимость увеличиваются с ростом температуры вследствие повышения концентрации носителей заряда. В примесных полупроводниках в рабочем диапазоне температур концентрация носителей заряда мало изменяется, так как ее определяет главным образом концентрация основных носителей заряда, созданная примесью (все атомы примеси ионизированы). В связи с этим плотность тока и проводимость здесь с ростом температуры несколько уменьшаются вследствие уменьшения подвижности.

Диффузионное движение носителей заряда возникнет, когда имеется различие в концентрации электронов (дырок) в соседних слоях полупроводника. Носители заряда перемещаются из слоя с большей концентрацией в слой с меньшей концентрацией. Если в данном слое постоянно поддерживается более высокая концентрация носителей заряда, чем и соседнем с ним слое, то создается непрерывный диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания концентрации.

Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака (носители заряда обладают конечным временем жизни).

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Принцип действия и вольт-амперная характеристика диода

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока.

А            К

р

n

Рис. 1.7. Полупроводниковый диод

В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обусловливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р), а другой — электронной (n) электропроводностью. Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и n-слоев, в так называемом, электронно-дырочном переходе (р-n-переходе).

Электрические процессы в р-п-переходе в отсутствие внешнего напряжения

В германиевых и кремниевых диодах двухслойная р-n-структура (рис. 1.8. а) создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой —донорной примеси. При комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью имитированными, т. е. практически все акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными. Кроме  основных носителей заряда в каждом из слоев имеются неосновные носители заряда, создаваемые путем перехода электрона основного материала из валентной зоны в зону свободных уровней.

В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ возникает разность концентраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являются основными, в другом — неосновными. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном  направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют в n-область,  электроны из n-области  -  в р-область. Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область, — с дырками р-области.

Вследствие двух факторов (ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака) концентрации основных носителей заряда (рр и пп) в обеих приграничные областях, снижаются (рис. 1.8,6). Кроме того, снижение концентрации носителей заряда одного знака сопровождается повышением концентрации носителей заряда другого знака. Вследствие этого в приграничной р-области повышается концентрация электронов, а в приграничной n-области — концентрация дырок. Таким образом становится понятным характер распределения концентрации носителей заряда в p-n-переходе, показанной на рис. 1.8,6 сплошными линиями.

Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела слоев является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Кривая распределения объемно заряда в p-n-переходе показана на рис. 1.8, г. Ввиду наличия объемного заряда в p-n-переходе создаются электрическое поле и разность потенциалов.

Внутреннее электрическое поле, созданное объемными зарядами является фактором, под действием которого обеспечивается равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направлениях т. е. равенство нулю суммарного тока в отсутствие внешнего электрического поля. Это обусловливается тем, что внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером  создает тормозящее действие для основных и ускоряющее —для неосновных носителей заряда. Таким образом, внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению плотности диффузионного тока, через переход и появлению встречного ему дрейфового тока.

Плотность диффузионного тока обусловлена основными носителями заряда, и состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из р-области в n-область, и потока электронов, диффундирующиx  из n-области в р-область.

Плотность дрейфового тока создается неосновными носителями заряда прилегающих к р-n-переходу. Дрейфовый ток имеет направление, противоположное направлению диффузионного тока.

Электрические процессы в р-n-переходе при наличии внешнего напряжения

Подключение к р-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через р-n-переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего напряжения, с которой оно прикладывается к р-n-переходу.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода

Внешнее напряжение подключено к р-n-структуре в прямом направлении, т. е. плюсом источника к выводу р-области, а минусом источника — к выводу n-областн (рис. 1.9, а). При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-n-переходе.

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p-n-переход (рис. 1.9, в). Указанное явление называют инжекцией   носителей   заряда   через р-n-переход.

Дрейфовый ток через р-n-переход, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, подходящих из приграничных слоев к р-n-переходу, остается без изменения. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через р-n-переход (прямой ток диода).

Рис.  1.9.   Полупроводниковый диод при подключении внешнего   напряжения   в   прямом направлении:

а — схема включения; б — потенциальный барьер при прямом напряжении; в — распределение концентраций носителей заряда; г — прямая ветвь вольт-амперной характеристики

С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается в связи с чем возрастает прямой ток через р-n-переход. Примерный вид п р я м о й    ветви    вольт-амперной  характеристики р-n-перехода (диода) показан на рис. 1.9, г.

Неравновесная концентрация дырок в близлежащем к р-n-переходу слое базы создает положительный заряд. Его компенсируют вошедшие под действием сил электрического притяжения электроны от отрицательного полюса источника, в связи с чем базовый слой остается электрически нейтральным. Эти электроны увеличивают концентрацию основных носителей заряда в примыкающем к р-n-переходу базовом слое (на рис. 1.9, в не показано).

Непрерывная диффузия дырок через р-n-переход и их рекомбинация с электронами в прилегающем слое базы создают непрерывный приток электронов от отрицательного полюса источника и ток в рассматриваемом участке цепи. Таким образом, прямой ток в р-n-переходе определяется диффузионным током дырок, ток в основной части базового слоя и внешнем вывводе обусловливается дрейфовым током электронов. В примыкающем к р-n-переходу базовом слое прямой ток равен сумме диффузионного тока дырок и дрейфового тока электронов.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода

При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис. 1.10, а) потенциальный возрастает При этом увеличиваются объемный заряд в р-n-переходе его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет рождение через р-n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток, создаваемый этими носителями, уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей заряда по обе стороны перехода можно считать неизменным (рис. 1.10, б). Однако теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет протекать ток в обратном направлении.

Рис.   1.10.   Полупроводниковый диод при подключении внешнего  напряжения в обратном  направлении:

з — схема включения; б — потенциальный барьер при обратном напряжении; в — распределение концентраций носителей заряда; г — обратная ветвь вольт-амперной    характеристики

Обратная   ветвь   вольт-амперной  характеристики диод показана на рис. 1.10, г.

Обратный  ток.,  создаваемый  неосновными  носителями   заряда, зависит от их концешраций в р- и n-слоях, а также от рабочей поверхности р-n-перехода. Концентрация неосновных носителей заряда является функцией температуры кристалла, поэтому обратный ток диода также зависит от температуры, этот   ток иногда называют тепловым.

Прямой ток диода создаются основными, а обратный — неосновными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обусловливаются вентильные свойства р-n-перехода, а следовательно, и диода.

Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода

На прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывает влияние объемное сопротивление слоев р-n-структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения на диоде.

На обратную ветвь вольт-амперной характеристики   диода   оказывают   влияние    ток утечки   через поверхность  р-n-перехода и генерация носителей    заряда, которая является   причиной  возможного пробоя р-n-перехода.   Оба   фактора   приводят к тому,   что обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 1.12.

Рис.  1.12    Обратная ветвь вольт-амперной характеристики     реальных диодов

Ток утечки создается различными загрязнениями на внешней поверхности р-n-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость р-n-перехода и обратный ток через диод.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в р-n-переходе, различают электрический  пробой и  тепловой  пробой. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным.

Лавинный  пробой  обусловлен лавинным размножением носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Неосновные носители заряда, поступающие в р-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс  носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p-n-переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

И основе  туннельного  пробоя   лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается  лавинообразно и ввиду неоднородности p-n-перехода обычно носит локальный  характер.   Лавинообразное развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока  и,  следовательно,   еще  больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p-n-перехода вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое. Велика вероятность  наступления  теплового  пробоя   при  общем   перегреве перехода ввиду ухудшения, например,   условий   теплоотвода.

В этом случае он может произойти при меньшем напряжении минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Емкости р-n-перехода

Емкость p-n-перехода равна сумме так называемых барьерной и диффузионной емкостей.

Барьерная   (или  зарядная)  емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела р- и n-слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примесей.

Наличие барьерной емкости проявляется протеканием тока через p-n-переход вследствие изменения объемных зарядов при изменении напряжения на переходе. Зарядная емкость возрастает с уменьшением толщины р-n-перехода, т. е. при снижении обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при обратных. Зависимость барьерной емкости р-n-перехода от обратного напряжения используется в в а р и к а п а х (параметрических диодах), применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.

В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной области объемного заряда p-n-перехода, диффузионная емкость обусловливается изменением суммарных зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева и справа от p-n-перехода в результате изменения напряжения на нем. Так как эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через p-n-переход, диффузионную емкость следует учитывать при прямом напряжении смещения.

Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через р-n-переход прямого тока и она существенно больше барьерной емкости. Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость р-n-перехода определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, — барьерной емкостью.

Типы диодов

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые диоды. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи, возможность использования при более высоких температурах окружающей  среды и больших обратных напряжениях, большие допустимые плотности прямого тока; преимущества германиевых диодов: малое падение напряжения при пропускании прямого тока.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300 мА. С точки зрения частотных свойств диоды рассматриваемого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высоко частотные (10—20 кГц). Конструкция выпрямительных диодов малой    мощности     приведена   на   рис.   1.13.

Рис.  1.13. Конструкция   маломощных   германиевых  выпрямительных   диодов Д7А — Д7Ж (а)'-

1 — внешний вывод (анод); 2 — трубка (штенгель); 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус; 5 — внутренний вывод анода; 6 — таблетка индия; 7 — кристалл   германия;   8—кристаллодержатель;   9— внешний   вывод (катод);

вольт-амперная характеристика диода Д7Ж (б)

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300 мА — 10 А. Больший прямой ток этих диодов по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-n-перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители-радиаторы. Радиаторы изготовляют из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и развитой поверхностью для лучшей передачи теплоты в окружающую среду. Для улучшения излучающей способности радиаторы часто подвергают чернению. В качестве радиатора иногда может быть использовано шасси прибора. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием корпуса крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности приведен на рис. 1.14, а.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10 А и выше. Отечественная промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т. д. до 1000 А и обратные напряжения

Рис. 1.14. Конструкция кремниевых выпрямительных диодов средней мощности   Д202 — Д205   (а):

1 — внешний вывод (анод); 2 — трубка (штенгель); 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус; 5 —внутренний вывод анода; 6 — алюминий; 7 — кристалл кремния; 8— теплоотводящее основание;    9 — кристаллодержатель;    10 — внешний вывод (катод);

до 3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 1.15.

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. В связи с этим здесь должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты. В установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвекцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

Рис. 1.15. Конструкция   мощного   кремниевого диода ВЛ-200:

1 — внешний   гибкий  вывод (анод);    2 — стакан;— стеклянный изолятор;— внутренний      гибкий вывод анода; 5 — корпус; 6 — чашечка;       7 — кристалл   с   р-n-переходом; 8 —ристаллодержатель
(катод);        9 — шпилька для  крепления к радиатору

При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости. В последние годы широкое применение получило испарительное охлаждение, основанное на отводе теплоты за счет образования пузырей пара у теплоотводящей поверхности охладителя. Другая особенность мощных диодов — необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и

аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой (на которое производится выбор диодов), дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.

Специфика работы мощных диодов проявляется и в необходимости более тщательного подхода к их выбору по обратному напряжению.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратному напряжению (или к обоим параметрам), превышают номинальные значения параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным (а при необходимости и параллельно-последовательным) соединением диодов.

Параллельное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выходу их из строя вследствие перегрева. (рис. 1.17,6). При введении в каждую из параллельных ветвей дополнительной индуктивности возникает э. д. с. самоиндукции при нарастании тока в ветвях, вследствие чего различие токов в параллельных ветвях, вызванное разбросом параметров диодов, становится менее ощутимым. Выравнивание токов может быть в принципе обеспечено и введением в параллельные ветви дополнительных активных сопротивлений, однако при этом создаются дополнительные потери мощности, особенно при больших токах.

Рис. 1. 17. Прямые ветви вольт-амперных  характеристик  диодов, используемых для параллельного соединения (а); схема выравнивания токов диодов с помощью индуктивных делителей тока (б)

Последовательное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток  (рис. 1.18, а).

Рис. 1.18. Схема последовательного соединения   диодов и обратные ветви их вольт-амперных характеристик (а); схема выравнивания обратных напряжений, прикладываемых к диодам (б)

Неравномерность распределения напряжения на последовательно работающих диодах является нежелательной. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привести к пробою не только данного, но и всех остальных диодов вследствие повышения на них обратного напряжения.

Для исключения неравномерного распределения обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резисторами R (рис. 1.18,6).

Импульсные диоды. Импульсные диоды нашли широкое применение в маломощных схемах промышленной электроники и автоматики. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения — малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.

Кремниевые стабилитроны. В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рис. 1.19). Как указывалось, это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на p-n-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.   

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность — таковы его преимущества.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-р-n (рис. 1.20, а, б). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис. 1.20, в, г. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний (германиевые и кремниевые транзисторы).

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная p-n-структура полупроводниковых диодов. Пластина полупроводника p - типа является основанием, базой (отсюда и название слоя) конструкции. Два наружных р-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмиттерным, а другой —

Рис. 1.20. Полупроводниковая структура транзисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б)', их условные обозначения в электронных схемах (в, г); сплавная транзисторная структура типа р-п-р (д)\ пример конструктивного исполнения маломощного транзистора  (е):

1— донце корпуса; 2 — колба; 3 — внутренний вывод эмиттера; 4 — таблетка индия; 5 — кристаллодержатель; 6 — пластина германия я-типа; 7 — таблетка индия; 8 — внутренний вывод коллектора; 9 — стеклянный изолятор

коллекторным. Так же называются и р-n-переходы, создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.

Функция эмиттерного перехода — инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода — сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода.

В транзисторах типа n-р-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа р-n-р — это дырки, в приборах типа n-р-n — электроны.

Принцип действия транзистора и его основные параметры

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры типа р-n-р (рис. 1.21, а). Сначала покажем распределение концентрации носителей заряда в слоях транзисторной структуры и разнести потенциалов, создаваемой объемными зарядами p-n-переходов, в отсутствие внешних напряжений (рис. 1.21,6, в).

Рис. 1.22. Транзисторная структура типа р-п-р (а), распределение концентраций носителей заряда (б) и внутренней разности потенциалов (в) при наличии   внешних  напряжений

Рис. 1.21. Транзисторная структура типа р-п-р (а), распределение концентраций носителей заряда (б) и внутренней разности потенциалов (в) в отсутствие внешних   напряжений

Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере. Таким образом, для транзистора базовый слой должен быть более высокоомным, чем эмиттерный.

В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы обеспечивалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях, т. е. равенство нулю протекающего через них тока.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода — в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения (рис. 1.22, а). Напряжение Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение UK — отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение U'э действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок — основных носителей зарядов эмиттерного слоя — уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большем количестве переходить (инжектировать) в область базы (рис. 1.22, а, в). Аналогичным образом увеличится диффузионный поток электронов (основных носителей заряда области базы) в эмиттер. Большинство дырок в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора. Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмиттерном переходе сводятся к инжекции носителей заряда (дырок) в базу.

Процессы в базовом слое определяются в основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе вблизи эмиттера. На границе с эмиттерным переходом создается концентрация дырок.

Под действием концентрации рп(0) развивается диффузионное движение дырок в базе в сторону коллектора, т. е. в направлении меньшей концентрации.

Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами (рис. 1.22, а). В результате актов рекомбинации количество дырок, дошедших до коллектора, не будет равно количеству дырок, поступивших из эмиттера.

Вместе с тем акты рекомбинации дырок с электронами создают недостаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоянно входящих в базу из эмиттера. Необходимые электроны поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора (рис. 1.22, а). Следовательно, разность между дырочными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией в ней дырок.

Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Рис. 1.24.   Схема   включения

транзистора   с   общей    базой

(схема ОБ)

Рис. 1.23. Диаграмма составляю щих токов  в транзисторе

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК)- О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении принципа действия транзистора. Различие в способах включения зависит оттого, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.

Рис. 1.27. Схема    включения транзистора с общим эмиттером (схема ОЭ)


Схема ОЭ (рис. 1.27). В схеме ОЭ вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжения питания Un3 подаются соответственно между базой и эмиттером, а также между коллектором и эмиттером транзистора.

Характеристики выражают зависимость между напряжениями и токами в цепях транзистора. Наибольшее значение получили входные, выходные и переходные характеристики. Обычно характеристики снимают по схеме с общей базой или с общим эмиттером.

Входной характеристикой называется зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при неизменном напряжении между коллектором и базой.

Выходной (коллекторной) характеристикой называется зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой при постоянном токе эмиттера.

Переходной характеристикой (характеристикой прямой передачи) называют зависимость тока коллектора от тока эмиттера при постоянном напряжении между коллектором и базой.

Входные и выходные характеристики получают экспериментально, переходные характеристики могут быть построены на основе семейства выходных характеристик.

Характеристики транзистора можно использовать для определения его параметров.

При расчете цепей широко используют представление транзисторов в виде четырехполюсников. При этом параметры транзистора характеризуют коэффициентами четырехполюсника. Для биполярного транзистора эти коэффициенты принято называть h-параметрами, их можно определить расчетом или экспериментально.

Следует отметить, что одним из существенных недостатков транзисторов является относительно высокая нестабильность их параметров и характеристик. Причины нестабильности следующие: разброс параметров в процессе изготовления однотипных транзисторов; влияние температуры окружающей среды; влияние радиоактивных излучений; изменение параметров с изменением частоты усиливаемых сигналов; изменение параметров при старении транзисторов с течением времени.

Для транзисторов характерен также относительно высокий уровень собственных шумов, вызываемых тепловыми флуктуациями плотности носителей зарядов.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В полевых транзисторах используют эффект воздействия поперечного электрического поля на проводимость канала, по которому движутся носители электрического заряда.

Рис. 16.25.    Схематическое  изображение полевого транзистора с р-n- переходами: И — исток; С — сток; 1 — обедненный слой

Полевые канальные транзисторы имеют существенные преимущества, к которым прежде всего относятся большое входное сопротивление приборов (1010  —1015 Ом), большая устойчивость к проникающим излучениям, малый уровень собственных шумов, малое влияние температуры на усилительные свойства.

Полевые транзисторы изготовляют двух типов: с затвором в виде р-n-перехода и с изолированным затвором.

Устройство транзистора с затвором в виде р-n-перехода схематично представлено на рис. 16.25. Основу прибора составляет слаболегированная полупроводниковая пластина   р-типа,   к   торцам которой приложено напряжение Uc, создающее ток /с через сопротивление нагрузки Rn. В полупроводниковой пластине этот ток обеспечивается движением основных носителей заряда. Торец пластины, от которого движутся носители заряда, называется истоком. Торец, к которому движутся носители заряда— стоком. В две противоположные боковые поверхности основной р-пластины вплавлены пластинки типа n. На границе раздела пластин n и р возникают электронно-дырочные переходы. К этим переходам в непроводящем направлении приложено входное напряжение. Пластины n-типа образуют з а т в о р. При указанной полярности напряжения на затворе вокруг этих пластин образуется слой, обедненный носителями заряда и, следовательно, имеющий малую проводимость. Между обедненными слоями сохраняется канал с высокой проводимостью.

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении ширины обедненного слоя при изменении обратного напряжения р-n-перехода. С увеличением напряжения на затворе ширина обедненных слоев увеличивается, а поперечное сечение канала и его проводимость уменьшаются.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно менять ток через сопротивление нагрузки RH и выходное напряжение.

Рис. 16.27. Схематическое изображение полевого транзистора с изолированным затвором:

1 — исток; 2 — затвор; 3 — сток; 4 — металл; 5 — диэлектрик; 6 — канал n-типа; 7 — полупроводник р-тииа

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором схематически показано на рис. 16.27. Основу прибора составляет пластина полупроводника р-типа. На небольшом расстоянии друг от друга в поверхность основной пластины вплавляют донорную примесь. Затем поверхность пластины кремния подвергают термической обработке, в результате чего на ней наращивается тонкий (0,1 мкм) слой диосида, являющегося хорошим изолятором. На слой изолятора накладывают металлическую пластину затвора, перекрывающую области донорной примеси n.

Транзисторы с изолированным затвором чаще называют транзисторами типа МДП (металл — диэлектрик— полупроводник). Упрощенно принцип его работы можно представить следующим образом: при отсутствии напряжения на затворе области n истока и стока разделены непроводящей прослойкой основной пластины; при подаче на затвор положительного напряжения электроны вытягиваются из основной пластины и скапливаются под изолирующей прослойкой. При определенной разности потенциалов

концентрация электронов под диэлектриком превысит концентрацию дырок и области n будут соединены проводящим электронным каналом.

ТИРИСТОРЫ

Преимущества тиристоров следующие: малые масса и габариты, большой срок службы, высокий КПД, малая чувствительность к вибрации и механическим перегрузкам, способность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) напряжениях, а также при очень больших токах, достигающих сотен ампер.

Основное свойство тиристора, обеспечивающее ему самые разнообразные применения в автоматике, электронике, энергетике,— это способность находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов ом и он практически не пропускает ток при напряжениях до тысячи вольт; в открытом — сопротивление тиристора незначительно. Переход тиристора из одного состояния в другое происходит за очень короткое время, практически скачком. Среди тиристоров выделяют динисторы и тринисторы.

Динистор — это тиристор с двумя электродами (выводами). Переход динистора из одного состояния в другое осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах.

Тиристор, снабженный третьим (управляющим) электродом, называется тринистором. Управляющий электрод позволяет с помощью небольшого сигнала управления (импульса напряжения) перевести тиристор из закрытого состояния в открытое при неизменном (заданном) напряжении на основных электродах. Обратный переход из открытого состояния в закрытое с помощью управляющего напряжения невозможен.

Структура тиристора содержит четыре (р-n-р-n) или пять (р-n-р-n-р) слоев. В последнем случае тиристор называют симметричным.

Рис.   1.42.   Условные   обозначения тиристоров: динистора (а), тиристора (б),фототиристора, симистора

В фототиристорах (рис. 1.42, г) отпирание прибора производится с помощью светового импульса.

Рис. 1.44. Составляющие   токов  в ти ристоре при  включении внешних   напряжений

Все перечисленные приборы выполняют функцию бесконтактного ключа, обладающего односторонней проводимостью тока. Прибор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях, называют симметричным тиристором (симистором). По своему назначению симистор (рис. 1.42, д) призван выполнять функции двух обычных тиристоров (рис. 1.42, б), включенных встречно-параллельно.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа р-n-р-n с тремя р-n-переходами (рис. 1.43), в которой р1-слой выполняет функцию анода, а n2-слой— катода. Управляющий электрод связан с р2-слоем структуры. Основной материал в производстве тиристоров — кремний.

Рис. 1.45.   Вольт-амперная   характеристика тиристора

УСИЛИТЕЛИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Усилителем    называют устройство,  предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель (рис. 2.1) имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

Основными параметрами усилителя являются коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по току,

коэффициент    усиления    по мощности.

Рис. 2.1. К определению параметров усилителя

Коэффициенты усиления являются взаимосвязанными параметрами.

Коэффициенты усиления следует считать основными из большого числа параметров, характеризующих усилитель и зависящих от его назначения.

Классификация усилителей

Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимами работы.

К усилителям   с   линейным   режимом   работы   (или усилителям мгновенных значений) предъявляется требование получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения (тока), составляющих во времени входной сигнал. Коэффициенты усиления здесь рассчитывают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусоидального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления Ки, определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока — УПТ), усилители звуковых частот (УЗЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), широкополосные усилители (ШПУ) и узкополосные усилители (УПУ). Характерная особенность УПТ — способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к нулю.

Усилители с линейным режимом работы

Усилители

с нелинейным

режимом

работы

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. После достижения некоторой величины напряжения входного сигнала при его увеличении сигнал на выходе усилителя остается без изменения (ограничивается на некотором уровне). Такие усилители нашли применение для преобразования входного сигнала, например синусоидального, в импульсный сигнал (усилители-ограничители). Они используются также для усиления импульсов (нелинейные импульсные усилители).

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов в таких многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых транзисторов при усилении переменного сигнала.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную    цепь    каскада.  Усиливаемый сигнал подается на вход УЭ. Выходной сигнал снимается с выхода УЭ или с резистора.

                                                                            - Е

                                           R

                                                                        uвых

 uвх

При усилении малых входных сигналов может оказаться, что одного усилительного каскада недостаточно для получения нужного коэффициента усиления. В этом случае задачу решают с помощью многокаскадных усилителей, получаемых путем последовательного соединения отдельных каскадов (рис. 2.14). В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада. Нагрузкой указанных каскадов является входное сопротивление последующего каскада. Входное и выходное сопротивления усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов.

Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществляться с помощью конденсатора, трансформатора или непосредственно. В соответствии с этим различают усилители с конденсаторной, трансформаторной и непосредственной связью.

В настоящее время усилители применяются преимущественно в интегральном исполнении с непосредственной связью между каскадами. Исключение составляют узкополосные усилители радиотехнических устройств высокой частоты, где связь усилительных каскадов интегрального исполнения, а также связь источника входного сигнала с входом усилителя и выхода усилителя с нагрузкой могут осуществляться через трансформатор (одна из обмоток которого образует с дополнительно вводимым конденсатором параллельный колебательный контур). Конденсаторы в усилителях интегрального исполнения могут применяться как навесные элементы для связи источника входного сигнала с входом усилителя, выхода усилителя с нагрузкой, а также для связи отдельных усилителей между собой. В качестве элемента связи конденсатор используется в усилителях звуковых частот, усилителях высокой частоты и широкополосных усилителях.

Для многокаскадных усилителей важными являются амплитудно-частотная, фазо-частотная и амплитудная характеристики.

Рис. 2.39.   Обозначение ОУ в электронных схемах

Термин «операционный усилитель» относится к усилителям постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (один вывод). Название этих усилителей связано с первоначальным их применением главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Они применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д.

Условное обозначение ОУ показано на рис. 2.39. Один из входов усилителя называется неинвертирующим, а второй  

и нверти р у ю щ и м. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введения в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице необходимое значение Киоу операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества каскадов, используемых для получения требуемого значения Киоу, ОУ подразделяют на двух- и трехкаскадные.

В двухкаскадных ОУ в усилении входного сигнала участвуют входной дифференциальный каскад и один дополнительный каскад, а в трехкаскадных — входной дифференциальный и два дополнительных каскада. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в двухкаскадных — с динамическими нагрузками. Помимо этого, операционные усилители могут содержать вспомогательные транзисторные каскады и элементы, предназначенные, например, для сдвига уровней напряжения в тракте усиления, создания источников стабильного тока,   отрицательных обратных связей по синфазным ошибкам   усиления и т. д.

В ряде устройств усиление сигналов необходимо проводить для широкого спектра частот. Амплитудно-частотная характеристика усилителей при этом должна быть равномерной в диапазоне от нескольких единиц или десятков герц до нескольких десятков и сотен мегагерц. Такие усилители относят к классу широкополосных. Преимущественное применение они получили при усилении сигналов сложной, в частности импульсной, формы, характеризующейся широким спектром частот. Усилители, предназначенные специально для усиления сигналов импульсной формы, называют   импульсными. Требования широкополосности предъявляются к усилителям осциллографов, усилителям импульсных сигналов изображения в телевидении (видеоусилители), а также импульсным усилителям систем автоматического управления и контроля, радиолокационных, радионавигационных и счетно-решающих устройств, импульсных систем связи и т. д.

Из большого разнообразия импульсных сигналов наибольшее применение получили сигналы прямоугольной формы. Такая форма импульсов, в частности, наиболее полно отражает специфику работы импульсного усилителя. По режиму работы усилительных каскадов различают линейные и нелинейные импульсные усилители. В нелинейных импульсных усилителях транзисторы усилительных каскадов работают в нелинейном режиме с чередованием (в процессе передачи импульса) открытого и закрытого их состояний.

Рис. 2.53. Импульсный сигнал на входе (а) и его искажение на выходе (б) усилителя

В линейных импульсных усилителях амплитуда выходного импульса пропорциональна амплитуде входного импульса и связана с ним через коэффициент усиления. Как и в усилителях переменного и постоянного токов, точку покоя каждого каскада выбирают на линии нагрузки в пределах линейной области выходных характеристик транзистора.

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы. Частотная избирательность данных усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в устройствах автоматического управления и контроля. Избирательные усилители распространены в радиоприемных и телевизионных устройствах, в многоканальных системах связи (настройки приемного устройства на фиксированную частоту принимаемой станции).

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном положительной обратной связи.

ИМПУЛЬСНАЯ И ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например, напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

Преобладающее применение импульсных систем обусловлено их существенно меньшим потреблением тока (большим к. п. д.), более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью, относительной простотой средств представления информации в импульсной форме и наличием эффективных способов ее обработки (преобразования).

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым, а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности.

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения, затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течение некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина (плоская    часть)   и    срез    (задний   фронт).

Параметрами импульса являются амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.

Амплитуда   импульса   Um определяет наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.

Длительность импульса ta характеризует продолжительность импульса во времени.

Длительность фронта и длительность среза импульса характеризуют соответственно времена нарастания и спада импульса.

Спад вершины импульса отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса.

Параметрами последовательности импульсов являются период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками двух соседних импульсов.

Паузой называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов.

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки - главное назначение транзистора,  работающего в ключевом режиме. Путем изменения состояний транзистора осуществляется формирование сигналов импульсной формы. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является ключевая схема – каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме.

Режим запирания транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности. Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения и заданием соответствующего тока базы.

Интегральные операционные усилители находят широкое применение в импульсной технике.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения с опорным напряжением. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ.  При   UОп = 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль - органом.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-цифровых  и  цифро-аналоговых  преобразователей).

в)

Рис. 3.5. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в)

Простейшая схема компаратора на операционном усилителе приведена на рис. 3.5, а. Ее характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений ивхUon является входным напряжением и0 ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 3.5, б).

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение UOn. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 3.5, а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора.

Схема рис. 3.5, а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис. 3.5, в).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R1, R2 (рис. 3.6, а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистеризисом (рис. 3.6, б). Схема известна под названием триггера Шмитта или порогового устройства.

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульсной техники, предназначенных для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для формирования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внешнее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов. В настоящее время для построения мультивибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.

Возможность создания мультивибратора на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 3.8, а. Ее основой служит компаратор на ОУ с положительной обратной связью (см. рис. 3.7, а). Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R.

Рис. 3.8. Схема симметричного мультивибратора на ОУ (а) и  его  временные  диаграммы (б-г)

т    т

На   рис. 3.9, а   приведена   схема    несимметричного мультивибратора  на ОУ, для которого tиltи2.   Несимметричному режиму работы отвечают неодинаковые постоянные времени времязадающих цепей мультивибратора по полупериодам. В схеме рис. 3.9, а это достигается включением вместо резистора R двух параллельных ветвей, состоящих из резистора и диода. Диод Д1 открыт при положительной полярности выходного напряжения, а диод Д2 — при отрицательной.

и

б

Рис  3.9. Схема несимметричного мультивибратора на ОУ (а),

Одновибраторы предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса.

Одновибраторы, так же как мультивибраторы и триггеры, относятся к классу схем, обладающих двумя состояниями. Однако в отличие от мультивибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах (часто называемых также ждущими мультивибраторами) одно состояние устойчивое, а другое — неустойчивое. Устойчивое состояние характеризует исходный режим работы (режим ожидания) одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запускающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое время-задающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

В настоящее время для построения одновибраторов используют преимущественно интегральные операционные усилители. Наибольшее распространение получила схема одновибратора, приведенная на рис. 3.11, а.

Ее основой служит схема мультивибратора рис. 3.8, а, в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включен диод Д1.

При показанном на рис. 3.11, а направлении включения диода Д1 схема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода Дг (а также Д2) требуется запускающий импульс отрицательной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения служат для создания развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных  задержек  импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности и т. д. Находят применение напряжения, изменяющиеся по линейному закону как при одной (положительной или отрицательной) полярности, так и при обеих полярностях.

 

Формирование линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения основано на чередовании во времени процессов заряда и разряда конденсатора.

Простейшая схема генератора, в котором для получения линейно изменяющегося напряжения используют начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, приведена на рис. 3.13, а. Функцию элемента, создающего цепь для быстрого разряда конденсатора, выполняет транзистор.

Разряд конденсатора и поддержание на нем напряжения, близкого к нулю, происходит в интервалах паузы tn входного сигнала, когда транзистор Т находится в режиме насыщения. Открытое состояние обеспечивается протеканием тока базы через резистор Rб. Линейно изменяющееся напряжение формируется, когда транзистор заперт входным импульсом напряжения отрицательной полярности.

Неизменный зарядный ток обеспечивают применением в цепи заряда конденсатора токостабилизирующего элемента, функцию которого обычно выполняет транзистор, включенный по схеме ОБ (или ОЭ). Схемы с неизменным зарядным током позволяют полнее использовать напряжение питания при формировании линейно изменяющегося напряжения.

Пример построения схемы генератора приведен на рис. 3.13, г. Постоянство зарядного тока достигается с помощью транзистора Т2, включенного по схеме ОБ. Стабилитрон Д1 и резистор Rб обеспечивают постоянство напряжения на базе транзистора Т2. Резистор Rэ, задает его ток эмиттера и соответственно ток заряда конденсатора  (ток коллектора).

В настоящее время генераторы с малым значением коэффициента нелинейности (е< 0,01) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей.

Высокую линейность пилообразного напряжения позволяет обеспечить схема, приведенная на рис. 3.14, а. Генератор выполнен на основе схемы рис. 3.13, а. Элементами схемы рис. 3.14, а являются источник питания Е3, зарядный резистор Rs, конденсатор С и разрядный транзистор Т. Выходное напряжение генератора представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конденсаторе, ОУ охвачен отрицательной (резистор R2, а также резистор Rx и источник питания Ео) и положительной (резистор R±) обратными связями. Рис. 3.14. Схема генератора линейно   изменяющегося  напряжения на ОУ (а) и его временные диаграммы(б — г)

Управление работой генератора производится транзистором Т, осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим малое время обратного хода t0 формируемого напряжения.

Блокинг-генераторы предназначены для формирования импульсов тока или напряжения прямоугольной формы преимущественно малой длительности (от единиц до нескольких сотен микросекунд). Они находят применение в схемах формирования пилообразного тока для осуществления развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов с электромагнитным управлением. На основе блокинг-генераторов часто выполняют формирователи управляющих импульсов в системах цифрового действия.

По принципу построения блокинг-генерапгор представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трансформатором. Процесс формирования выходного импульса связан с отпиранием транзистора и удержанием его в состоянии насыщения (г'б> г'к/Р) цепью положительной обратной связи. Окончание формирования импульса сопровождается выходом транзистора из режима насыщения или по входной цепи (т. е. базовой цепи при включении транзистора по схеме ОЭ) вследствие уменьшения тока базы, или по выходной (коллекторной) цепи из-за увеличения тока коллектора. Эти два случая определяют соответственно две разновидности блокинг-генераторов: с конденсатором в цепи обратной связи (с времязадающим конденсатором) и с насыщающимся трансформатором.

блокинг-генератор с конденсатором в цепи обратной связ и, получивший наибольшее применение на практике в однотактном варианте.

Схема блокинг-генератора приведена на рис. 3.15, а. Она выполнена на транзисторе ОЭ и трансформаторе Тр. Цепь положительной обратной связи осуществлена с помощью вторичной обмотки шб трансформатора с коэффициентом трансформации, конденсатора С и резистора R, ограничивающего ток базы. Резистор R6 создает контур разряда конденсатора на этапе закрытого состояния транзистора. Выходной сигнал может быть снят либо непосредственно с коллектора транзистора, либо с дополнительной нагрузочной обмотки шн трансформатора, связанной с коллекторной обмоткой коэффициентом трансформации. Диод Ди включаемый при необходимости, исключает прохождение в нагрузку импульса напряжения отрицательной полярности, возникающего при запирании транзистора. Ветвь из диода Д2 и резистора Rt выполняет функцию защиты транзистора от перенапряжений.

Рассмотрим работу схемы в  режиме автогенератора (входная цепь с конденсатором С4 отсутствует).

На интервале tQt{ транзистор закрыт, напряжение на его коллекторе равно — Ек, напряжения на обмотках трансформатора и нагрузке равны нулю (рис. 3.15, б — г). Закрытое состояние транзистора создается напряжением на конденсаторе С (рис. 3.15, а), подключенным через обмотку wb к выводам база — эмиттер транзистора. Полярность напряжения, указанную на рис. 3.15, а, конденсатор приобретает к концу формирования схемой предыдущего импульса. Закрытое состояние транзистора продолжается до момента времени t1 поскольку на интервале t0 — /4 происходит перезаряд конденсатора С и в момент времени tt напряжение на конденсаторе становится равным нулю (рис. 3.15, д).

На интервале ttt2 осуществляется отпирание транзистора. Этот процесс обусловливается наличием в схеме положительной  обратной связи и называется процессом регенерации   или прямым    блокинг - процессом.

Сущность регенеративного процесса отпирания транзистора заключается в том, что он сопровождается взаимным увеличением базового и коллекторного токов и протекает следующим образом.

Переход в момент времени t1, напряжения ис = ибэ через нуль приводит к возникновению токов базы и коллектора транзистора. При отпирании транзистора напряжение на его коллекторе уменьшается, что вызывает появление напряжения на коллекторной обмотке wK трансформатора (рис. 3.15, а). Напряжение на коллекторной обмотке трансформируется в базовую обмотку шб с полярностью, соответствующей увеличению базового тока. Рост базового тока, в свою очередь, вызывает увеличение коллекторного тока, снижение напряжения на коллекторе и дальнейшее повышение напряжения на коллекторной и базовой обмотках. Процесс завершается переходом транзистора в момент времени t2 в режим насыщения.

Блокинг-генераторы с насыщающимся трансформатором находят наибольшее применение в двухтактном режиме работы. Двухтактный  блокинг-генератор   является автогенератором переменного напряжения прямоугольной формы. Его трансформатор выполняется с сердечником из материала, обладающего прямоугольной петлей намагничивания, и служит общим элементом двух однотактных схем. К материалам с близкой к прямоугольной петлей намагничивания относятся пермаллои, холоднокатаная электротехническая сталь и некоторые марки ферритов.

Двухтактный блокинг-генератор работает в режиме поочередного отпирания двух транзисторов. Открытое состояние одного транзистора и закрытое состояние другого задаются цепями обратной связи, создаваемыми с помощью базовых обмоток трансформатора wб1, w62. Переключение транзисторов происходит, когда индукция в сердечнике трансформатора достигает индукции насыщения.

Двухтактные блокинг-генераторы находят преимущественное применение для преобразования энергии источников постоянного тока (например, аккумуляторных батарей) в переменный ток или в постоянный ток другого напряжения для питания нагрузки сравнительно небольшой мощности. При использовании генератора в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение цепь нагрузки подключают к выходной обмотке трансформатора  через выпрямитель со сглаживающим фильтром.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41657. Техника аудиовизуальных средств информации 17.18 MB
  Спецэффекты Для создания качественных видео фильмов в программе dobe Premiere имеется значительное количество различных спецэффектов. При этом существует два основных типа эффектов: статические и динамические. Перед тем как начать процесс редактирования клипов с помощью эффектов необходимо активировать соответствующие вкладки в окнах Medi Browser вкладка Effects и Source вкладка Effect Controls. На следующем этапе выделите нужный клип в монтажной области с помощью инструмента выделения в результате чего во вкладке Effect Controls...
41658. Защита информации, антивирусная защита. Эксплуатационные требования к компьютерному рабочему месту 185.58 KB
  Лист № докум. Подпись Дата Лист 1 Лабораторная работа № 3 Разраб. Листов 3 47Э1 Цель работы Ознакомиться с теоретическими аспектами защиты информации от вредоносных программ: разновидности вирусов способы заражения и методы борьбы. Лист № докум.
41659. РАБОТА В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ MICROSOFT OUTLOOK 757.34 KB
  Программная среда Microsoft Outlook пришла на смену разнообразным видам бумажных носителей которые использовали руководители и секретари для организации своей работы. Сегодня для организации документов и отправки почты планирования задач встреч событий и собраний ведения списка контактов а также учета всех выполненных работ используется программа Microsoft Outlook. Информация в среде Outlook организована в виде папок аналогичных по назначению своим бумажным предшественникам.
41660. Поверка средств измерений 39.3 KB
  Поверка средств измерений Цели и задачи работы: Изучение правил организации и порядка проведения поверки средств измерения. Краткие сведения из теории: Поверкой средств измерений называют совокупность действий выполняемых для определения и оценки погрешностей средств измерений. Вид поверки определяют в зависимости от того какой метрологической службой проведена поверка от характера поверки инспекционная экспертная каков этап работы средства измерений первичная периодическая внеочередная. Организацию и поверку средств измерений...
41661. Косвенные измерения. Определение показателей точности косвенных измерений 587.13 KB
  Косвенные измерения. Определение показателей точности косвенных измерений Цели и задачи работы: изучение методов измерения при которых искомое значение физической величины находят путем согласованных наблюдений других величин определяемых опытным путем связанных с искомой физической величиной известной зависимостью; ознакомление с правилами оценивания погрешностей косвенных измерений. При выполнении работы необходимо практически ознакомиться с системой допусков и посадок требованиями к точности линейных и угловых параметров изделий...
41662. Вставка и редактирование формул в редакторе WORD 73.64 KB
  Вставка и редактирование формул. Вставка формул. Вставка формул в редакторе WORD осуществляется с помощью формульного редактора. Вызов формульного редактора Eqution Editor из Word можно осуществить следующей последовательностью действий: поместите курсор в то место где должна быть вставлена формула; в меню вставка выберите команду обьект ; выберите закладку создание ; В окне тип обьекта выберите Microsoft Eqution 3.
41663. Теория электрической связи 263.74 KB
  Получение характеристик частотного модулятора при воздействии на его вход моногармонического сигнала. Напряжение смещения Есм являющееся постоянной составляющей модулирующего сигнала позволяет установить несущую частоту модулированного сигнала а переменная составляющая т. сам модулирующий сигнал поданный на гнезда КТ1 обеспечивает девиацию частоты fmx зависящую от амплитуды модулирующего сигнала. В схеме модулятора имеется блок автоматической регулировки усиления поддерживающий постоянную амплитуду ЧМ сигнала на схеме не показан.
41664. Исследование зависимости выходного напряжения усилительного каскада от амплитуды и частоты входного сигнала 155.55 KB
  Цель: Научиться определять и анализировать зависимости выходного напряжения усилительного каскада от амплитуды и частоты входного сигнала. Лабораторная работа №6 Тема: Исследование зависимости выходного напряжения усилительного каскада от амплитуды и частоты входного сигнала. Лабораторная работа №6 Тема: Исследование зависимости выходного напряжения усилительного каскада от амплитуды и частоты входного сигнала.