80188

Физические основы работы полупроводниковых приборов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Связь между токами и напряжениями в транзисторе характеризуют тремя системами параметров: это системы z у и hпараметров. При такой схеме включения для расчетов применяют hпараметры экспериментально определяемые по статическим входным базовым и выходным коллекторным вольтамперным характеристикам ВАХ транзистора ВАХ зависимость напряжения на зажимах элемента электрической цепи от тока в нем. Статические характеристики в схеме с общим эмиттером: авходная; бвыходная Входные характеристики транзистора отражают зависимость...

Русский

2015-02-16

202.5 KB

3 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT12

Лекция №10 «Физические основы работы полупроводниковых приборов»

Биполярный транзистор. В электронике широко используют биполярные транзисторы с двумя р-n-переходами, к которым относят этот термин. Напомним основные сведения о биполярном транзисторе (проще, транзисторе; слово «транзистор» образовано от англ. transconductance — преобразование проводимости и varistor — нелинейный резистор) — полупроводниковом приборе с двумя р-n-переходами и тремя электродами: базой, коллектором и эмиттером. По характеру проводимости внешних слоев переходов транзисторы бывают р-n-р- и n-р-n-типов. Принцип действия транзисторов обоих типов идентичен. Отличие заключается в противоположности направлений протекания токов и полярности приложенных напряжений.

Из теории полупроводниковых приборов известно, что в биполярном транзисторе протекают токи базы Iб, коллектора Iк и эмиттера Iэ, связанные соотношением: Iэ = Iк + Iб. Обычно Iк = (0,9 ... 0,95)Iэ, т. е. практически весь ток, создаваемый эмиттером транзистора, протекает через коллекторный переход.  В зависимости от полярностей приложенных к р-n-переходам транзистора напряжений различают три режима работы:

отсечки — оба р-n-перехода закрыты, через транзистор протекает сравнительно небольшой тепловой ток;

насыщения — оба р-n-перехода полностью открыты, через транзистор протекает максимальный ток;

активный — один из р-n-переходов открыт, к другому приложено обратное напряжение; через транзистор протекает управляемый ток.

Рис.1. Схемы включения биполярного транзистора: а- с общим эмиттером; б- с общим коллектором; в – с общей базой

Различие в способах включения зависит от того, какой из трех электродов транзистора является по переменному току общим для входной и выходной цепей усилительного каскада. Связь между токами и напряжениями в транзисторе характеризуют тремя системами параметров: это системы z-, у- и h-параметров. Выбор удобной для практических расчетов системы параметров зависит от схемы включения транзистора. В радиотехнических схемах широко используют устройства, в которых транзисторы включены по схеме ОЭ. При такой схеме включения для расчетов применяют h-параметры, экспериментально определяемые по статическим входным (базовым) и выходным (коллекторным) вольт-амперным характеристикам (ВАХ) транзистора (ВАХ — зависимость напряжения на зажимах элемента электрической цепи от тока в нем).  

Рис.2. Статические характеристики в схеме с общим эмиттером:

а-входная; б-выходная

Входные характеристики транзистора отражают зависимость входного тока (тока базы Iб) от входного напряжения (напряжения база-эмиттер Uбэ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер Uкэ. Выходные

характеристики представляют собой зависимость выходного тока (тока коллектора Iк) от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ при постоянном токе базы Iб

Усилительный каскад ОЭ.

Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно  действуют постоянные напряжения покоя Uэп,  Uкп и Uэп. Резистор Rэ и делитель R1, R2 составляют цепь отрицательной обратной связи (ООС), предназначенную для термостабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. Под обратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилителя. Действие ООС объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя Iкп возрастают ток эмиттера покоя Iэп и падение напряжения на резисторе RЭ, поскольку (Uэп= Iэп Rэ). Поскольку напряжение между базой и землей (база-земля) Uбэ фиксировано базовым делителем R1, R2 и Uбз= Uбп + Uэп, то с увеличением напряжения Uэп уменьшается напряжение Uбп. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя Iбп и, следовательно, снижению тока коллектора покоя Iкп. Тем самым производится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя. Включение резистора RЭ в цепь эмиттера изменяет работу каскада и по переменному сигналу. Переменный ток эмиттера iэ создает на резисторе Rэ падение напряжения uэ = iэ*Rэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к базе транзистора, ведь uбэ= uвх - uэ. При этом снижается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку реактивное сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает потерь напряжения на резисторе Rэ.

В режиме покоя транзистора расчет каскада по постоянному току (входной сигнал отключен) проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзистора. Метод удобен при нахождении связи параметров режима покоя (Uкп и Iкп) с амплитудными значениями переменных составляющих — выходного напряжения Uвыхm и коллекторного тока Iвыхm, При расчетах на выходных характеристиках проводят пинию нагрузки по постоянному току (линия 1-2), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи каскада

Рис.3. Графический анализ каскада ОЭ по входной (б) и выходной (а) ВАХ

Линию нагрузки строят по двум точкам, характеризующим режимы

холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1: ток и напряжение холостого хода Iкх=0, Uкх = Ек; для точки 2: напряжение и ток короткого замыкания Uкз = 0; Iкз =Eк/(Rк + Rэ). При расчетах любые значения тока Iкп и напряжения Uкп определяют точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Одну из этих точек, полученную для заданного тока базы покоя Iбп, называют точкой покоя и обозначают буквой П.  Используя координаты точки покоя П, можно определить ток коллектора покоя Iкп, напряжение коллектора покоя Uкп и падение напряжения на резисторе RK, равное URк = Iкп*RK- При этом транзистор работает в активном режиме.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Ек и конденсатора С2 по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами RK и RH 

В режиме усиления сигнала токи и напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, поэтому линия нагрузки по переменному току также пройдет через точку П. И поскольку Rкн < RK, то линия будет находиться под углом γн = arctg(RKH), большим, чем угол γ. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где напряжение равно сумме Uкп + Iкп*RKH, и через нее и точку П проводят прямую (штриховая линия 3—4).

Вначале принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке RH (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения uвх переменный ток базы iб будет изменяться в соответствии с входной характеристикой. Одновременно и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении амплитуды входного напряжения возрастет ток базы iб. Поскольку ток коллектора связан с током базы как iк = h21*iб (h21 =50...75), то он тоже возрастет. В результате увеличивается падение переменного напряжения на резисторе Rк (ведь U = iк*RK), а переменное напряжение на  коллекторе uкэ = uВЫХ = Ек – iк*Rк уменьшится. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из данного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощности изменяет (инвертирует; инверсия — такое действие над входным сигналом, при котором все составляющие его спектра изменяют фазу на 180°) фазу входного сигнала на 180°. Точно так же работает схема и при подключении нагрузки RH, лишь переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами RK и RH, что естественно снижает усиление.

Эквивалентная схема каскада ОЭ

Амплитудная характеристика усилителя

Без искажений усиливаются входные сигналы с амплитудой не выше UBXмакс и не ниже UBXмин, отношение которых представляет динамический диапазон усилителя [дБ]

Линейное усиление сигнала обеспечивается при небольших амплитудах входного напряжения и выборе точки покоя на линейных участках входной и выходной характеристик транзистора. Тогда имеет место линейная зависимость между переменными токами базы iб и коллектора iк а также напряжениями UBX и UBЫX (см. штриховые линии на рис.). Если же амплитуда входного сигнала велика, то нелинейность характеристик приводит к искажениям формы выходного напряжения. Искажения формы выходного напряжения относят к нелинейным. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

где Р1, Р2,..., Рn, U1, U2,..., Un, I1, I2,..., In — мощности, напряжения и токи соответственно 1-, 2-,..., n-й гармонических составляющих выходного сигнала. Коэффициент гармоник усилителя не должен превышать 1...5 %.

Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление (до десятков мегаом). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большими входными сопротивлениями. Управление током осуществляют изменением проводимости канала р- или и-типа, через который под воздействием электрического поля он протекает, т. е. полевые транзисторы управляются по входной цепи напряжением (электрическим полем — отсюда название — «полевые»), а не током. Электропроводность канала обусловлена движением носителей только одного типа, поэтому по принципу действия они являются униполярными. По способу создания проводящего канала различают полевые транзисторы с р-п-переходом и с встроенным и индуцированным каналами. Последние два называют МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник). Большинство полевых транзисторов) имеют три электрода (вывода): сток, исток и затвор (от англ. gate — ворота). Включение полевых транзисторов (как и биполярных) в усилительный каскад осуществляют по трем схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Рис. Полевые транзисторы с каналами п-типа:

а, б — условные обозначения; в, г — стоко-затворные характеристики;

д, е — стоковые характеристики соответственно транзисторов с p-n-переходом и МДП-типа

Рис. Усилительный каскад ОИ на МДП-транзисторе

 

Рис.  Графический анализ каскада ОИ по характеристикам МДП-транзистора:

а — стоковым; б — стоко-затворной

Рис Эквивалентная схема каскада ОИ

Основные параметры каскада ОИ в линейном режиме усиления

рассчитывают с помощью эквивалентной схемы, основа которой схема замещения МДП-транзистора (обведена на рис. штриховой линией). В эквивалентной схеме усилительные свойства МДП-транзистора отражены генератором тока SUВХ с параллельно включенным внутренним сопротивлением транзистора ri Крутизна стоко-затворной характеристики S = ∆IС/∆UЗИ. Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением R3 = R1||R2, a нагрузка по переменному току — сопротивлением RСН (нагрузка по переменному току). 

Межэлектродные емкости СЗИ и СЗС отражают емкости р-п-переходов, а емкость ССИ — межэлектродную выходную емкость транзистора.

Коэффициент усиления по напряжению находят из эквивалентной рис схемы

Как правило, в полевых транзисторах

поэтому

Входное сопротивление каскада ОИ определяется в основном делителем в цепи затвора

R = RЗ.

Выходное сопротивление каскада приблизительно равно стоковому сопротивлению

RВЫХ ≈RС.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45868. Инструменты для повышения степени точности зубчатых колес, их конструкция и принцип работы 61.73 KB
  Если вращать шевер а обрабатываемому колесу увлекаемому им во вращение сообщать поступательное движение то режущие кромки канавок шевера будут снимать тонкие толщиной менее 001 мм волосообразные стружки с поверхности зубьев. Шевингование применяют для тонкой обработки зубьев у незакаленных колес или закаленных до твердости HRC = 35. Схема шлифования зубьев: а методом копирования; б методом обкатки Закаленные до более высокой твердости поверхности зубьев могут быть отделаны шлифованием. Как и при зубонарезании шлифование зубьев...
45869. Абразивные материалы и техническая характеристика абразивных инструментов. Особенности режима шлифования 42.39 KB
  Особенности режима шлифования. АБРАЗИ́ВНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ вещества повышенной твердости применяемые в массивном или измельченном состоянии для механической обработки шлифования резания истирания заточки полирования и т. Плоские круги прямого профиля ПП применяют для круглого наружного внутреннего и бесцентрового шлифования для плоского шлифования периферией круга и для заточки инструментов. Плоские круги с двухсторонним коническим профилем 2П применяют для вышлифовывания зубьев шестерен и шлифования резьбы.
45870. Особенности конструкций инструментов для автоматизированного производства 12.54 KB
  Особенности конструкций инструментов для автоматизированного производства. К этому инстрту предъявся повышенные требования е его качеству к точности размеровгеометрой формы качеству заточки. инструм. инстров с мехим креплением многогранных неперетаых пластинок из тверд.
45871. Литьё в кокиль (технология) 172.5 KB
  Литьё в кокиль { технология }. сплавов на долю кокильного литья приходится 40. Основной особенностью кокильного литья явл. При литье чугунных деталей в кокиль возможно получении отбелённого слоя что требует последующей термообработки.
45872. Автоматизация и механизация литейного производства – автоматическая линия литья в ПГФ 1.53 MB
  Автоматизация и механизация литейного производства автоматическая линия литья в ПГФ. Автоматич. процесса и соединённого автоматич. траспортом а также снабжённого автоматич.
45873. Основные понятия заготовок 36 KB
  Прогрессивные заготовки должны отвечать след.Формы и размеры заготовки должны быть так приближены формы и размерам детали. Технологический процесс получения заготовок заключается в последовательном изменении формы размеров шероховатости поверхности а также свойств исходной заготовки и её материала. процесса получения заготовки.
45874. Виды механической обработки материалов резанием 77.21 KB
  Виды обработки резанием Согласно действующему в нашей стране стандарту ГОСТ 25761 83 все виды механической обработки металлов и материалов резанием подразделяются на лезвийную и абразивную обработку. К лезвийной обработке относятся все виды обработки резанием которые осуществляются лезвийным инструментом: точение растачивание долбление сверление зенкерование развертывание фрезерование протягивание. Фрезерование применяют для обработки плоскостей пазов с прямолинейным и винтовым направлением шлицев тел вращения разрезки...
45875. Тепловые явления при резании. Баланс теплоты при резании металлов. Температура резания 860.6 KB
  Температура резания. Исследования процессов теплообразования при резании позволили определить направление и интенсивность тепловых потоков градиенты температур в контактных областях и характеристики температурного поля в зоне резания деталью и окружающей средой а также получить качественное и количественное представление о тепловом балансе при резании различных материалов. Ребиндера установлено что более 995 работы резания переходит в тепло. Температура резания.
45876. Качество обрабатываемой поверхности и поверхностного слоя детали 61.08 KB
  Качество обрабатываемой поверхности и поверхностного слоя детали. Качество детали можно определить геометрическими и физикомеханическими характеристиками её поверхности и поверхностного слоя. Показатели качества детали: геометрические характеристики шероховатость волнистость отклонение формы; физикомеханические характеристики микротвёрдость остаточное напряжение структура. Упрочнение поверхностного слоя: при обработке детали под действием сил резания поверхностный слой металла испытывает упругопластическое деформирование.