89204

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

Лекция

Физика

Якщо навпаки електропровідність пластинки ртипу а електропровідність її областей n типа структура такого транзистора прп. Приклад транзистора структури pnp Одну з крайніх областей транзисторної структури легірують сильніше; її використовують в режимі інжекції і називають емітером проміжну область називають...

Украинкский

2015-05-10

858.5 KB

0 чел.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

1.1 Електрони в атомі

1.2 Електропровідність

1.3 Електронно-дірковий перехід

1.4 Напівпровідникові прилади та їх стисла характеристика

1.4.1 Напівпровідникові терморезистори

1.4.2 Напівпровідникові діоди

1.4.3. Біполярні  транзистори

1.4.4. Польові транзистори

1.4.5.Тиристори

1.4.6.Система  позначень напівпровідникових приладів

1.5.Контрольні запитання

1.6. Література

1.1.  Електрони в атомі

Електрон являє собою елементарну електричну заряджену частинку з від’ємним зарядом e =1,602*10-19 Кл., масою me=9,109*10-31кг. Кількість електронів в атомі залежить від типу речовини і дорівнює його атомному номеру в періодичній системі елементів Д.І.Менделєєва.

Електрони в атомі взаємодіють з ядром і один з одним. Електрони, розташовані на зовнішніх орбітах, зв’язані з ядром слабкіше, ніж електрони, що знаходяться на внутрішніх, ближчих до ядра орбітах. Тому під дією сусідніх атомів або внаслідок інших причин зовнішні електрони можуть покинути свою орбіту, що призводить до зміни електричного стану атома. Електрони, розташовані на зовнішніх орбітах, називаються валентними. Вони обумовлюють хімічну активність речовини, беруть участь у створенні хімічного зв’язку між атомами. Електрони, що звільнились від внутрішньоатомних зв’язків, називаються вільними. Вони можуть переміщуватись усередині речовини між атомами у довільних напрямках з різними швидкостями.

При наявності зовнішнього електричного поля вільні електрони почнуть прискорено рухатись до контакту, потенціал якого додатній. Під час руху вони будуть стикатися з атомами, з яких складається речовина, виділяючи енергію, яку ми сприймаємо як тепло. В результаті електрони дрейфують до додатних контактів з приблизно постійною швидкістю і невпорядкований рух електронів стає упорядкованим, направленим. Такий рух електронів створює  електричний струм. 

Чим більше вільних електронів має речовина, тим вища її електропровідність. Звідси і походить поділ твердих тіл за їх здатністю проводити електричний струм на провідники, напівпровідники та діелектрики. Поведінку електронів в середині атомів підпорядковуються законам квантової механіки в основи якої покладені наступні теорії:

1.2. Електропровідність

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів утворюють так звану валентну зону. Сукупність більш високих енергетичних рівнів вільних електронів утворює зону провідності, розташовану вище валентної і відокремленої від неї забороненою зоною. Шириною забороненої зони визначають електропровідність матеріалу (рис.1).

                                           

а - провідника; б- діелектрика; в- напівпровідника

У металів (провідників)  існує велика кількість електронів що знаходяться на більш високих енергетичних рівнях,  тому валентна зона і зона провідності перекриваються (рис.1, а). Інша енергетична структура характерна для діелектриків, у них з’являється заборонена зона, ширина якої звичайно складає декілька електрон-вольт. Наприклад, для германію ширина забороненої зони дорівнює 0,67 еВ, а для кремнію – 1,1 еВ. Для того щоб електрон перейшов із валентної зони у зону провідності, йому необхідно надати енергію, яка б перевищувала ширину забороненої зони  Wд  діелектрика. За нормальних температур у діелектриків в зоні провідності відсутні електрони (або знаходиться  дуже мала кількість електронів) і тому вони не можуть проводити електричний струм (чи мають мізерно малу провідність) (рис.1, б).

У напівпровідників(НП) енергетична структура подібна до діелектриків, тільки вони мають ширину забороненої зони порядку одного електрон-вольта (рис.1, в).

У напівпровідників усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками завдяки так званому ковалентному зв’язку (чи двоелектронному звязку). Доки цей зв'язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд у матеріалі. Таку кристалічну решітку мають всі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (-273°C). За цих умов напівпровідники мають властивості ізоляторів. Механізм електропровідності напівпровідників розглянемо на прикладі кристалічних ґраток германію, що є елементом IV групи періодичної системи Менделєєва. Ґратки у вигляді плоскісної структури зображено на (рис.2).

Рис. .  Кристалічні гратки германію

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв'язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електронів. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку, тобто кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного нуля і за відсутності опромінення у напівпровідників відсутні рухомі носії і його електричний опір великий (нескінченний).

Власна електропровідність НП

Якщо температура напівпровідника дорівнює нулю за термодинамічною шкалою, то вільних електронів у зоні провідності немає. З підвищенням температури (або в наслідок дії інших чинників, наприклад опромінення) частина ковалентних зв’язків розривається й електрони отримують енергію, достатню для того, щоб подолати енергетичний бар’єр (заборонену зону) і перейти у зону провідності. Втративши валентний електрон, атом перетворюється  у додатний іон. На тому місці, де раніше був електрон, з’являється вільне (“вакантне”) місце – дірка. Дірку можна вважати за умовний носій заряду, що дорівнює заряду електрона, але позитивної полярності. Процес утворення пар електрон-дірка називається генерацією  пари носіїв заряду.

Зворотний процес – процес захоплення електрона діркою валентної зони називається рекомбінацією. Середня тривалість існування пари електрон-дірка між генерацією й рекомбінацією називається  тривалістю життя носіїв заряду. Середня відстань, яку проходять носії заряду  за тривалість життя, називається дифузною довжиною носіїв заряду. Перехід електрона з вищого енергетичного рівня провідності на нижчий рівень валентної зони супроводжується вивільненням енергії, яка випромінюється у вигляді кванту світла або передається кристалічній ґратці .

Із збільшенням температури число генерацій за одиницю часу зростає, але зростає і число рекомбінацій. Таким чином, встановлюється динамічна рівновага для кожного значення температури. Концентрація  електронів ni   дорівнює концентрації дірок  pi (ni = pi ). Якщо відсутнє електричне поле, то електрони й дірки рухаються хаотично. Якщо ж на напівпровідник впливати зовнішнім електричним полем, то електрони й дірки, рухаючись хаотично, почнуть рухатися під дією поля: дірки у напрямі електричного поля, електрони протилежно полю. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів – позитивного (дірки) та негативного (електрони). Такий упорядкований рух електронів і дірок під дією електричного поля називається дрейфом.

Другим видом упорядкованого руху носіїв заряду є рух  носіїв із зони з більш високою концентрацією носіїв у зону з меншою концентрацією. Такий вид упорядкованого руху називається дифузією. Електропровідність напівпровідника, зумовлена генерацією носіїв заряду під дією зовнішніх чинників (нагрівання, опромінення і т.ін), називається власною електропровідністю.

Отже напівпровідники належать до класу речовин, що мають тверду кристалічну структуру і за питомою провідністю  займають проміжне місце між провідниками  та діелектриками. Головна особливість напівпровідників – зростання питомої електричної провідності з підвищенням температури, на відміну від провідників, у яких  із підвищенням температури питома електрична провідність зменшується.

Крім того, електропровідність істотно залежить від зовнішніх чинників: нагрівання, опромінення, електричних і магнітних полів, тиску, прискорення, радіації а також від наявності навіть  дуже незначної кількості домішок.

У сучасній електронній промисловості для виготовлення напівпровідникових кристалів (чіпів) використовується в основному кремній (Si - має робочу температуру до 140°С). Застосовується також арсенід галію (GaAs - працює при температурах до 350-400°С) і германій (Ge - має робочу температуру до 140°С).До напівпровідників також відносять селен, телур, деякі оксиди, карбіди та сульфіди.

Домішкова електропровідність НП

Електропровідність напівпровідника значною  мірою залежить від наявності мізерної кількості домішок. Для домішок використовують або п’ятивалентні  елементи (сурма, миш’як, фосфор), або тривалентні (індій, галій, алюміній). Це широко використовується в сучасній електронній  промисловості для надання напівпровідникам заданих властивостей.

Розглянемо приклад, коли у розплав чистого германію додається домішка п'ятивалентного елемента (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (Аs), як показано на (рис.3).

Рис.  Кристалічні гратки германію  з донорною домішкою

При застиганні у деяких вузлах кристалічних ґраток германію його атоми заміщуються атомами домішки. При цьому чотири валентних електрони домішки створюють систему ковалентних зв'язків із чотирма валентними електронами германію, а п'ятий електрон домішки виявляється надлишковим - вільним. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних ґраток нерухомі позитивно заряджені іони, що створюють у кристалі позитивний об'ємний заряд.

Домішка, внесення якої збільшує концентрацію вільних електронів, називається донорною домішкою. З погляду зонної теорії внесення донорної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається зоною провідності, або відділена від неї вузькою забороненою зоною    Wд  (рис.4).

Рис. .  Діаграма рівнів енергії  в тому числі донорної зони

Для напівпровідника з донорною домішкою  достатньо електричного поля з незначною напруженістю для того, щоб електрони з домішкової зони, долаючи невеликий бар’єр шириною    Wд , змогли перейти у зону провідності і забезпечили б проходження струму. Електропровідність напівпровідника з донорною домішкою забезпечується електронами, і тому такий напівпровідник називається  напівпровідником n-типу (від negative – негативний).

Розглянемо введення у германій домішки з трьома валентними електронами (III група таблиці Менделєєва), наприклад, індію (Іn), як це показано на (рис. 5).

Рис. 5.  Кристалічні гратки германію з  акцепторною домішкою

Для утворення ковалентного зв'язку між атомами Gе та Іn одного електрона не вистачає. При дії теплоти навколишнього середовища електрони з верхнього рівня валентної зони переміщуються на рівень домішки, створюючи зв'язки, яких не вистачає, завдяки чому у валентній зоні утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Тому така домішка, внесення якої збільшує концентрацію дірок, називається акцепторною.

Внесення акцепторної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається валентною зоною, або віддалена від неї вузькою забороненою зоною шириною    Wa   (рис.6).

Рис. 6.  Діаграма рівнів енергії  в тому числі акцепторної зони

Для переходу  електрона з валентної зони у домішкову необхідно подолати незначний бар’єр. Перехід електрона з валентної зони у домішкову породжує дірку у валентній зоні. Якщо подіяти на такий напівпровідник електричним полем, то електричний струм забезпечуватимуть в основному дірки валентної зони. Тому напівпровідник з акцепторною домішкою має діркову  провідність і називається напівпровідником з дірковою провідністю, або р-типу (від positive –позитивний).

У р-напівпровідниках концентрація дірок, зумовлена внесенням  акцепторної домішки, набагато більша за концентрацією електронів власної електропровідності напівпровідника. Тому дірки у р-напівпровіднику називаються основними носіями заряду, а електрони неосновними.

У n-напівпровідниках, навпаки, основними носіями є електрони, а неосновними- дірки.

1.3.  Електронно-дірковий перехід

 Ізольований кристал n- типу електрично нейтральний, сума додатних і від’ємних зарядів в ньому дорівнює нулю. Кількість атомів, які позбулися одного електрона і перетворились в додатні іони  строго дорівнюють кількості електронів, що відірвалися від атома. Чим вища температура, тим більше утворюється вільних електронів. Зокрема, при кімнатній температурі практично всі «зайві» електрони донорної п’ятивалентної домішки відриваються від атомів і рухаються хаотично. Додатні іони знаходяться у вузлах кристалічної решітки.

Також і кристал p-типу є електрично нейтральним і ізольованим. Однак у ньому в хаотичному тепловому русі знаходяться дірки, а атоми акцепторної домішки, що захопили зайвий електрон і перетворилися у негативний іон, знаходяться в вузлах кристалічної решітки.

Рис. 7.  Утворення на межі  між шарами р- та  n – типу

p-n переходу з потенціальним бар'єром φк

 

Приведемо кристали n- і p- типу у щільне приєднання і розглянемо процеси на границі поділу (рис.7). Одразу після приєднання кристалів почнеться дифузія дірок із p-області в n- область і дифузія електронів в протилежному напрямку. Зустрічаючись, електрони і дірки рекомбінують, при цьому поблизу граничної площини утворюється два шари: зліва шар «оголених» від’ємних іонів, справа – шар «оголених» (не скомпенсованих) додатних іонів. Просторові заряди розміщені у тонкому шарі товщиною кілька мікрометрів безпосередньо біля межі між ділянками p- та n- типу. Цей подвійний шар  просторових зарядів і є власне p-n-переходом. Він збіднений основними носіями, оскільки іони які утворюють просторовий заряд, розміщені у вузлах кристалічної гратки і рухатися не можуть. Тому питомий опір подвійного шару набагато більший за питомий опір напівпровідника. Цей шар називають  запірним.

Між двома протилежно зарядженими шарами виникає електричне поле, напруженість якого ε, що перешкоджає дифузії дірок і електронів. Чим більше не скомпенсованих іонів, тобто чим більше ширина «оголених» шарів, тим вище напруженість електричного поля. Таким чином, на межі двох ділянок виникає потенціальний бар’єр. Електричне поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв через бар’єр. При деякому значенні напруженості дифузійний стум припиняється. Цьому значенню напруженості відповідає певна контактна різниця потенціалів і певна ширина шару l, в якому рекомбінували рухомі носії зарядів.

Ця загальна картина потребує деякого уточнення. Вище йшла мова про існування в кристалах неосновних носіїв заряду. Під дією напруженості ε неосновні носії почнуть дрейфувати на зустріч дифундуючим зарядам, виникає дрейфовий стум, направлений назустріч струму дифузії. Динамічна рівновага наступить, коли дифузійний струм дорівнюватиме дрейфовому, при цьому шар l сильно збіднений на вільні носії заряду, хоча і непозбавлений їх повністю. При наближенні до площини поділу кристалів збіднення шару l носіями зарядів буде більш вираженим. Таким чином, через p-n - перехід у протилежних напрямах протікають два струми: струм основних носіїв під дією різниці концентрацій (дифузний струм) і струм неосновних носіїв під дією електричного поля p- n- переходу (дрейфовий струм). Оскільки струм неосновних носіїв зумовлений температурою, то цей струм називають тепловим. У звичайних умовах ці два струми взаємно компенсують один одного.

Ширина збідненого шару пов’язана з контактною різницею потенціалів, яка, в свою чергу, залежить від вибору матеріалів і концентрації домішок. Чим вище контактна різниця потенціалів φк, тим ширший збіднений шар l. У германію і кремнію контактна різниця потенціалів складає десяту частину вольт, а ширина збідненого шару – десяті і соті частини мікрометра.

Контактна  різниця потенціалів надає p-n-переходу властивість однобічної провідності, яка широко застосовується в сучасній техніці.

Позначимо через φк власну контактну різницю потенціалів збідненого  шару. Якщо до p-n-переходу підключити джерело напруги U, то різниця потенціалів на границях контактного шару кристалів n- і p- типів зміниться.

Ввімкнення p-n-переходу в електричне коло, коли плюс джерела під’єднати до області p, мінус до області n, називається прямим або пропускним (рис.8). Різниця потенціалів контактного шару в цьому випадку позначається φк.п. і напрям зовнішнього поля буде протилежним напряму електричного поля. Зовнішнє поле частково або повністю компенсує електричне поле p-n-переходу, що спричинює різке збільшення дифузного струму. Дрейфовий струм неосновних носіїв зумовлений температурою і від напруги  майже не залежить, тому сумарний струм через p-n-перехід визначається дрейфовим струмом, і p-n-перехід у цьому режимі вважається відкритим.

Рис. 8.  Пряме вмикання р-n –переходу

Ввімкнення, при якому до області p приєднаний мінус джерела, а до області n – плюс, називається зворотнім або замикальним (рис.9). Відповідно різницю потенціалів позначаємо φк.о. і напрям зовнішнього поля збігається з напрямом поля p-n-переходу. Зовнішнє поле різко зменшує дифузний струм, оскільки воно спрямоване проти струму, ширина запірного шару зростає, відповідно зростає й опір p-n-переходу. Тепловий струм неосновних носіїв майже не залежить від напруги а визначається кількістю генерацій пар електрон-дірка, яка в свою чергу залежить від температури. Сумарний струм через p- n- перехід визначається тільки тепловим струмом, p-n-перехід у цьому режимі вважається закритим.

Рис. 9.  Зворотне вмикання р-n -переходу

 Маючи на увазі те що опір кристалів невеликий і вся прикладена напруга практично падає на збідненому шарі, можемо записати

φк.п= φк - U;

φк.о. = φк+ U.

Таким чином при прямому ввімкненні p-n-переходу різниця потенціалів на границях збідненого шару (потенціальний бар’єр) зменшується. А при зворотному ввімкненні – збільшується.

Зменшення потенціального бар’єру призводить до зростання дифузійного струму і зменшення зустрічного дрейфового стуму. Результуючий стум (його називають прямий) співпадає з дифузійним. Збільшення потенціального бар’єру призводить до зменшення дифузійного струму і збільшення дрейфового. Результуючий струм p-n-переходу і всього замкнутого кола співпадає з дрейфовим струмом. Цей струм називають зворотнім.

Нагадаємо, що дифузійний струм створюється основними носіями зарядів, а дрейфовий – неосновними. Так як концентрація основних носіїв на декілька порядків вище  концентрації неосновних, прямий струм в сотні і тисячі разів перевищує зворотній.

Таким чином p-n-перехід, ввімкнений в прямому напрямку, пропускає електричний струм, а ввімкнений в зворотному не пропускає.

Щоб зменшити зворотній струм, потрібно зменшити кількість неосновних носіїв заряду. Цього можна досягти зменшивши кількість сторонніх домішок і покращенням структури кристалу (зменшенням числа дефектів кристалічної решітки).

Отже, електронно-дірковим переходом, або просто  p-n-переходом, називаємо ділянку на межі двох напівпровідників, один з них має електронну провідність (n-напівпровідник), а другий - діркову провідність ( p - напівпровідник ). p - n-перехід має таку основну властивість: якщо полярність зовнішньої прикладеної напруги пряма, то   p- n-перехід відкритий і пропускає струм, а якщо зворотна, - то p- n-перехід закритий і струм майже не пропускає. Характеристики p-n-переходу, зокрема його опір і ємність, можна легко змінювати за допомогою зовнішніх полів  та інших впливів. Звичайно, на  контакті утворюється запірний шар і виникає явище випрямлення струму.

Оскільки у р-п-переходу  явно виражені нелінійні властивості, то залежність струму, що через нього протікає, від прикладеної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характеристики    (ВАХ). Теоретична ВАХ р-п-переходу показана на рис.10. Вона має пряму (1) та зворотну (2,3) гілки. Якщо напруга прямого вмикання Uпр< φк, через перехід, опір якого великий, тече малий струм. Як тільки зі збільшенням Uпр останнє досягне значення Uпр= φк, запірні властивості р-п-переходу зникають, і струм через перехід визначається лише провідністю р- і п- шарів.

Рис. 10. Теоретична ВАХ p-n - переходу

Таким чином, р-п-перехід має вентильні властивості, тобто при прямому вмиканні його опір малий, і при зворотному - значний.

При зростанні від нуля зворотної напруги Uзв, швидкість руху неосновних носіїв через перехід зростає. При Uзв = Uп швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбуваються лавиноподібний зріст зворотного струму. Це явище називається електричним пробоєм р-п-переходу, а Uп - напругою пробою. Якщо при цьому р-п-перехід ефективно охолоджується, різке зростання потужності, що в ньому виділяється (UзвIзв), не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні Uзв запірні властивості р-п-переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при створенні такого напівпровідникового приладу як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зростає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується також за рахунок теплової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і р-п-перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка 3 ВАХ).

Насамкінець зазначимо властивості р-п-переходу, що (в основному) використовуються при побудові електронних НП приладів:

-одностороння провідність (вентильні властивості);

-дуже великий опір зони р-п-переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

-зміна ширини р-п- переходу зі зміною величини зворотної напруги (як результат - зміна ємності р-п- переходу);

-стабільність напруги  на р-п- переході у режимі електричного пробою;

-наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в р- і п-типу.

1.4 Напівпровідникові прилади та їх стисла характеристика

Класифікація напівпровідникових приладів

Напівпровідникові прилади поділяються на такі групи:

  1.  НП резистори;
  2.  НП діоди;
  3.  біполярні транзистори;
  4.  уніполярні (польові) транзистори;
  5.  тиристори.

Напівпровідникові резистори

Напівпровідникові резистори мають два вихідних електроди. Вони поділяються на лінійні та нелінійні.

У лінійних резисторів питомий електричний опір не залежить від прикладеної напруги, їх умовне позначення наведене на (рис.11). Вони виготовляються на основі напівпровідників р- або п- типу і використовуються в інтегральних мікросхемах.

а)              б)          в)       г)

Рис. 11. Умовні позначення лінійного резистора  (а),

варистора (б), терморезистора (в), фоторезистора (г)

Нелінійні резистори (варистори) - це такі напівпровідникові резистори, у яких питомий опір залежить від прикладеної напруги, їхнє умовне позначення наведене на (рис.10,б). Варистор має нелінійну симетричну ВАХ.

Варистори використовують як обмежувачі напруги для  захисту напівпровідникових приладів від короткочасних перенапруг.

1.4.1. Напівпровідникові терморезистори

Напівпровідниковий терморезистор – це резистор, виготовлений з напівпровідникового матеріалу, опір якого залежить від температури. Розрізняють два типи терморезисторів:

термістор, опір якого зі збільшенням температури зменшується,

і позистор, у якого опір збільшується зі збільшенням температури.

Для виготовлення термісторів використовуються напівпровідники з електронною провідністю, як правило, оксиди металів і суміші оксидів. Конструктивно термістори виготовляють у вигляді дисків, кульок, шайб.

Температурна характеристика терморезистора - це залежність опору терморезистора R від температури. Для більшості напівпровідників у широкому інтервалі температур залежність електричного опору терморезистора від температури виражається експоненціальним законом :

R  = a exp (b / T),

де a коефіцієнт, який залежить від  конструктивних розмірів і матеріалу;

b – коефіцієнт, який залежить від концентрації домішок  у напівпровіднику;

Т – абсолютна температура.

Основним параметром, який характеризує роботу терморезистора, є температурний коефіцієнт опору      TKR = (( R / T ) / R ) 100 %   який виражає процентну зміну опору терморезистора від зміни температури. Вольт-амперна характенистика - це залежність напруги на термісторі від струму в умовах теплової рівноваги між термістором і довкіллям. Лінійність характеристики для малих  струмів і напруг пояснюється тим, що теплова енергія, яка виділяється у термісторі, недостатня для істотної зміни його температури. Термістори застосовуються як первинні вимірювальні перетворювачі температури у вимірювальних пристроях. Термістори доцільно застосовувати там, де необхідно виміряти температуру малих об’єктів. Наприклад, у біології за допомогою термістора, змонтованого на кінчику голки, можна виміряти температуру внутрішніх органів живого організму. Терморезистори застосовуються в системах регулювання температури, теплового захисту, протипожежної сигналізації.

Позистори виготовляють на основі титаната барія, легованого спеціальними домішками, які в заданому інтервалі температур збільшують свій питомий опір на декілька порядків. За своїм конструктивним оформленням позистори аналогічні терморезисторам і мають вигляд диску діаметром біля 5 мм і висотою 1,5 мм, мають дротяні виводи які припаяні до торцевих поверхонь диску. Позистор включений послідовно з опором навантаження використовується  в якості обмеження струму. Коли опір навантаження падає нижче  певного значення  в ланцюзі збільшується струм і зростає температура позистора. Опір позистора при цьому зростає що обмежує струм в ланцюзі навантаження.

Основними характеристиками позистора  є температурна та вольт-амперна.

Основні можливості використання позисторів:

  1.  Запобігання перегріву обладнання та приборів;
  2.  Для регулювання температури;
  3.  В схемах  обмежувачів та стабілізаторів струму;
  4.  Для автоматичної регулювання підсилення;
  5.  В схемах температурної компенсації;

                 6.   В якості безконтактних перемикачів елементів.

1.4.2 Напівпровідникові діоди

 Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним             p- n-переходом і двома виводами (рис. 12).

Рис. 12. Структура та умовне позначення випрямного діода

Класифікують діоди за такими ознаками:

– основним напівпровідниковим матеріалом: кремнійові, германієві, арсенид-галієві;

– фізичною природою процесів: фотодіоди, світловоди та ін.;

– призначенням: випрямні, імпульсні, стабілітрони;

– технологією виготовлення: сплавні, дифузійні та ін.;

– типом переходу: точкові і площинні.

На електричних схемах напівпровідниковий діод зображується так, як показано на (рис. 12)  і позначається VD.

Найважливішою характеристикою діода, яка наочно ілюструє його властивості, є вольт-амперна характеристика. Якщо до p-n-переходу прикласти напругу  у прямому напрямі ( рис. 13), діод відкривається  і виникне відносно великий струм. Залежність між прямою напругою і прямим струмом зображається прямою віткою вольт-амперної характеристики. Пряма напруга на діоді становить близько 0,7 В   для кремнієвого і близько 0,3 В для германієвого діодів.

Рис. 13.  ВАХ випрямного діода

Якщо прикласти напругу зворотної  полярності Uзв, то діод закривається і в ньому спостерігається дуже малий зворотний струм Iзв.  Цей струм майже не залежить від зворотної напруги, що зображається  зворотною віткою вольт-амперної характеристики.

Випрямні діоди  призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий струм однієї полярності в некерованих випрямлячах, в яких використовується властивість однобічної провідності діода. Найпростіша схема випрямлення напруги змінного струму із застосуванням випрямного діода наведена на (рис.14). Тут діод є автоматичним ключем, замкнений чи розімкнений стан якого визначається полярністю прикладеної до нього напруги.

Рис. 14. Найпростіша схема випрямлення напруги

Стабілітронце напівпровідниковий діод (рис.15), принцип роботи якого ґрунтується на тому, що зворотна напруга на p-n-переході в діапазоні електричного пробою майже не змінюється у разі значної зміни струму. На електронних схемах стабілітрон зображується так, як показано на (рис.15).

Як постає з ВАХ, наведеної на рис. 15, у зоні пробою напруга на стабілітроні майже не залежить від струму через нього Iст .

Рис. 15. Умовне позначення та ВАХ стабілітрона

 

Явище електричного пробою p-n-переходу полягає в тому, що у випадку збільшення зворотної напруги на p-n-переході  до деякого значення Uст неосновні носії заряду набувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У p- n-переході починається лавиноподібна генерація носіїв заряду – електронів і дірок, що спричиняє різке зростання зворотного струму через p-n- перехід за умови майже незмінної зворотної напруги. Робочою ділянкою є ділянка зворотної вітки характеристики p- n-переходу. 

Стабілітрони використовують для стабілізації у схемах стабілізаторів напруги і струму, у стабілізованих джерелах напруги, а також для побудови обмежувачів напруги. Щоб запобігти тепловому пробою, їхня конструкція забезпечує ефективне відведення тепла від кристалу.

Тунельний діод - це напівпровідниковий прилад, у якого специфічний тунельний ефект призводить до появи на ВАХ при прямій напрузі ділянки негативної провідності - штрихова лінія на (рис. 16) (там же наведено умовне позначення приладу). Як робоча використовується пряма гілка ВАХ.

Основними параметрами тунельного діода є:

– струм піку Iп, що складає (0,1÷100) мА;

– відношення струму піку Iп до струму западини Iз:

   Iп/ Iз = (5 ÷ 20).

Тунельні діоди - швидкодіючі напівпровідникові прилади, що застосовуються в генераторах високочастотних коливань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.

Рис. 16. Умовне позначення та ВАХ тунельного діода

Високочастотні діоди призначені для роботи на частотах до сотень мегагерц, де особливе значення відіграє інерційність діода, пов'язана з процесами накопичення зарядів у зоні р-п- переходу при відкриванні діода та розсмоктування зарядів при його закриванні (при утворенні р-п-переходу, як зони, вільної від рухомих носіїв заряду). Необхідно також враховувати власну ємність діода, як плоскінної структури (шари напівпровідника, розділені зоною р-п-переходу з великим опором, утворюють паразитний конденсатор). Все це призводить до того, що зі збільшенням частоти значення прямого і зворотного струмів через діод стають сумірними і він втрачає властивість односторонньої провідності.

 Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в імпульсних пристроях. Фактично, це є різновид високочастотних діодів, бо вони також мають малу інерційність, що забезпечує малу тривалість перехідних процесів при замиканні та розмиканні ключа. Кінечне значення часу накопичення носіїв у зоні р-п-переходу у при переході діода у провідний стан після подачі на нього прямої напруги - при замиканні ключа - призводить до того, що опір ключа від великого значення до малого змінюється не миттєво. Наслідком є затягування фронту імпульсу напруги на навантаженні. При наступній різкій подачі на діодний ключ зворотної напруги, за рахунок розсмоктування зарядів з зони р-п-переходу, змінюється лише напрямок протікання струму через діод. На навантаженні маємо викид напруги зворотної полярності з амплітудою, що дорівнює амплітуді імпульсу. І тільки через деякий час - час відновлення запірних властивостей - струм спадає до нуля (вірніше - до значення теплового зворотного струму р-п-переходу) - ключ розмикається.

Фотодіоди - фотоелектричні прилади з внутрішнім фотоефектом, який полягає у тому, що під дією світлової енергії відбувається іонізація атомів основної речовини та домішки. Як наслідок - струм при зворотному вмиканні зростає.

Світлодіоди - перетворюють енергію електричного поля в нетеплове оптичне випромінювання. При протіканні струму через діод з арсеніду галію рекомбінація носіїв заряду супроводжується не тільки виділенням тепла, як, наприклад, у кремнієвого діода, а ще й квантів світла.

У варикапа при змінах величини зворотної напруги змінюється ємність, завдяки чому він може застосовуватися, наприклад, для автоматичного налаштування контурів радіоприймача або телевізора на потрібну станцію чи канал.

Умовні позначення фото-, світлодіода та варикапа наведені на (рис.17).

                           а)                                             б)                                             в)

Рис. 17. Умовні позначення фотодіода (а), світлодіода (б), варикапа (в)

1.4.3. Біполярні транзистори

Серед електроперетворюючих напівпровідникових приладів, тобто приладів, які використовуються для перетворення електричних величин, значне місце посідають транзистори. Вони являють собою активні напівпровідникові прилади (здатні підсилювати потужність) і мають три або чотири виводи. Найбільш поширені транзистори з двома p-n-переходами – біполярні транзистори (БП). Таким транзистором називають трьохелектродний напівпровідниковий прилад, який має два взаємодіючі електонно-діркові переходи.

Транзистор (від англійських слів tгапsfег - переносити і геsistог - опір) - електронний напівпровідниковий прилад, призначений для посилення, генерувала і перетворення електричних коливань різних частот. Винайдений в 1948 р. американцями У. Шоклі. У. Браттейном і Дж. Бардіном.

Найбільш масовий транзистор це пластинка германію, кремнію або іншого напівпровідника розміром приблизно 2 x 2 мм, що володіє електронною (n -типа) або дірковою (р-типу) електропровідністю, в об'ємі якої штучно створені дві області, протилежні по електричній провідності (Рис.18). Пластинка напівпровідника і дві області в ній утворюють два р-п переходи, кожний з яких володіє такими ж електричними властивостями, як і напівпровідниковий діод. Якщо сама пластинка напівпровідника володіє електропровідністю n-типу, а створені в ній області - електропровідністю p-типу, такий транзистор буде структури р-п-р. Якщо, навпаки, електропровідність пластинки р-типу, а електропровідність її областей n -типа, структура такого транзистора п-р-п.

Рис.18. Приклад транзистора структури p-n-p

Одну з крайніх областей транзисторної структури легірують сильніше; її використовують в режимі інжекції і називають емітером, проміжну область називають базою, а другу крайню область – колектором. Концентрація домішок в базі завжди значно менша, ніж в колекторі та еміторі. Найважливішою умовою роботи БП являється дуже мала ширина базової області ( не більше одиниць мікрометрів).

Незалежно від структури транзистора пластинку напівпровідника називають базою Б, область меншого об'єму - емітером Э, а область більшого об'єму - колектором К (Рис.19). Електронно-дірковий перехід між колектором і базою називають колекторним, між емітером і базою - емітерним. Умовні графічні зображення на схемах транзисторів різних структур незалежно від технології виготовлення приладів відрізняються лише тим, що стрілка, символізуюча емітер, у транзистора структури р-п-р звернена до бази , а у транзистора п-р-п - від бази. Стрілка емітера показує напрям струму через транзистор.

 

Рис.19. Схемо-технічне зображення транзистора різних структур

Для величини струмів та напруг, які відносяться до бази, емітера та колектера, використовують індекси «Б», «Е», «К». Струми бази, емітера та колектора позначають відповідно Iб, Iе, Iк. Напругу між цими електродами позначають подвійними індексами Uбе, Uкб, Uке. На умовному графічному відображенні транзисторів n-p-n та p-n-p стрілка показує умовний (від плюса до мінуса) напрямок струму в еміторі при прямій напрузі та емітерному переході.

Простий підсилювач коливань звукової частоти можна зібрати по схемі, показаній на рис.20. Затиски «Вхід», куди підводиться підсилюваний сигнал, є входом підсилювача, а ділянка колекторного ланцюга, в який включені телефони ВF, - виходом підсилювача. Транзистор включений по схемі загального емітера, тобто способом, при якому емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного ланцюгів підсилювача. Транзистор при такому включенні забезпечує найбільше посилення сигналу.

Рис. 20. Підсилювач коливань.

Батарея GВ напругою 4,5-9 В служить джерелом   живлення  транзистора.   Оскільки в підсилювачі використовується транзистор структури  р-п-р,   батарея   позитивним   полюсом сполучена з емітером, а негативним - з колектором  (через телефони). Між базою транзистора і мінусовим провідником живлення включений резистор  R5, опір якого підбирають при налагодженні підсилювача   (на  схемах позначають зірочкою).  Через нього на базу (щодо емітера) подається невелика напруга (для германієвих   транзисторів  0,1-0,2   В,   для   кремнієвих - 0,6-0,7В), звана напругою зсуву, який відкриває транзистор, встановлюючи його в режим посилення. Без напруги зсуву транзистор спотворює підсилюваний сигнал.

Електролітичний    конденсатор Cраз - допоміжний елемент підсилювача:  не чинячи помітного опору підсилюваному   сигналу, він перешкоджає замиканню постійного струму базового ланцюга транзистора на загальний плюсовий  провідник  батареї   живлення  через   джерело сигналу.

На вхід підсилювача можна включити звукознімач пристрою, що електропрограє, і програти грамплатівку. Слабкий сигнал звукової частоти, створений звукознімачем, транзистор підсилить, і в телефонах   на   виході   підсилювача   достатньо голосно ми почуємо звуки мелодії або голос співака, записані на грамплатівку. Такий підсилювач можна підключити до виходу простого радіоприймача - детекторного. І в цьому випадку транзистор підсилить сигнал звукової частоти, а телефони перетворять його в звукові коливання.  

Принципово так працює і простий підсилювач радіочастоти. Тільки в цьому випадку транзистор повинен бути високочастотним, а його навантаженням - резистор, високочастотний трансформатор або дросель , з яких посилений сигнал  подається до детектора, а від нього - до телефонів.     Цілком імовірно, що транзистор підсилювача може бути структури п-р-п, треба тільки змінювати полярність включення живлячої його батареї.  

Транзистори структур р-п-р (рис. 21.а) і п-р-п (рис. 21.б) називають біполярними, оскільки в їх роботі беруть участь і позитивні носії струму – «дірки», і негативні - електрони. Разом з біполярними транзисторами (їх часто називають звичайними) всього більшого поширення набувають уніполярні, в яких працюють носії струму одного знаку - тільки електрони або тільки «дірки». Управляє таким транзистором електричне поле, що створюється напругою вхідного сигналу. Звідси друга, найбільш поширена назва уніполярних транзисторів - польові.

                            

Рис. 21. Транзистори різних структур

До сімейства транзисторів відносяться також фототранзистори, двобазові діоди і деякі інші напівпровідникові прилади. У мікроелектроніці на одному кристалі напівпровідника виготовляється   велика   кількість    транзисторів,    що становлять    інтегральну мікросхему.

Будова біполярного транзистора

Біполярний транзистор складається з трьох областей напівпровідникового матеріалу (германію, кремнію), провідності яких чергуються. За послідовністю чергування провідностей біполярні транзистори поділяються на

– p-n-p –транзистори;

– n-p-n – транзистори.

На електричних схемах транзистори позначаються символами VT. Ділянка, що є  джерелом носіїв заряду (електронів або дірок), називається емітером (Е), а та, яка збирає заряди, називається колектором (К), а вивід між ними – базою (Б).

У будові емітера, бази і колектора є свої особливості. Виготовляючи транзистор, концентрацію основних носіїв в емітері (введенням домішки) роблять більшою, ніж у колекторі. Концентрація основних носіїв, по-перше, у базі набагато менша, ніж у колекторі, а тим більше в емітері, тобто питома провідність бази набагато менша за питому провідність колектора й емітера.

По-друге, база виготовляється тонкою, тобто товщина бази рівновелика дифузній довжині, що становить кілька мікрометрів.

Електронно-дірковий перехід між емітером і базою називається емітерним, а між базою і колектором – колекторним.

В залежності від стану еміторного та колекторного перемикачів («відкритий» чи «закритий») розрізняють чотири режими роботи біополярного транзистора:

– режим відсічки, коли обидва переходи закриті;

– режим насичення, коли обидва переходи відкриті;

– активний режим (режим підсилення), коли емітерний перехід зміщений в прямому напрямку (відкритий), а колекторний – в зворотньому напрямку (закритий);

– інверсний режим, коли емітерний перехід закритий, а колекторний – відкритий.

Для розуміння принципу дії біполярного транзистора як керуючого елемента необхідно скористатися аналізом процесів в p-n переході діода. Розглянемо фізичні процеси в біполярному транзисторі в активному режимі при його вмиканні за схемою з загальною базою (рис. 22, а). Емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний – в зворотньому. За рахунок процесу інжекції емітера в базу поступає великий потік електронів. Вище зазначалося, що концентрація домішок в базі значно менша ніж в емітері (емітерний перехід несиметричний), а тому потоком основних носіїв заряду з бази а емітер можна знехтувати. В базі коло емітерного переходу накопичується велике число носіїв заряду (в нашому випадку електронів). Біля колекторного переходу їх майже немає. Таким чином формується великий градієнт концентрації неосновних носіїв в області бази. За рахунок теплового руху в базі створюються дифузфйний потік неосновних носіїв від емітерного переходу, де їх надлишок, до колекторного переходу і далі в колектор. Електричне поле об’ємного заряду колекторного переходу сприяє переміщенню (екстракції) електронів через цей перехід і вони попадають в прискорююче поле зовнішнього джерела живлення. Майже всі електрони, що інженектирували в базу, досягають колектора. Це можливо тільки при достатньо малій товщині бази та невеликій концентрації дірок в ній. Лише незначна частина електронів рекомбінує в базі з дірками, що викликає струм бази. Цей струм є небажаним і навіть шкідливим.

Схеми ввімкнення біполярного транзистора

Електричні та радіоелектронні пристрої, за допомогою яких реалізують процеси передачі та перетворення інформаційних сигналів, будуються щляхом послідовного та паралельного підключення чотириполюсників. Транзистор є триполюсником. Його можна вмонтувати в чотириполюсник шістьма різними комбінаціями так, що завжди один з електродів транзистора буде загальним для входу та виходу.

Схеми ввімкнення транзистора визначаються за електродом, спільним як для вхідного кола, так і для вихідного. Розрізняють такі схеми ввімкнення транзисторів :

– зі спільною базою (СБ),

– зі спільним емітером (СЕ),

– зі спільним колектором (СК).

Схема увімкнення зі спільною базою має великий  вихідний опір і малий вхідний коефіцієнт підсилення струму, що майже дорівнює одиниці, тому застосовується для побудови стабілізованих джерел струму і напруги, у складних підсилювачах, електронних комутаторах тощо (рис. 22, а).

У схемах увімкнення зі спільним емітером відношення вхідного і вихідного опорів не таке різне, як у попередніх схем, крім того, коефіцієнт підсилення струму і коефіцієнт підсилення напруги набагато більший за одиницю, тому ця схема застосовується для побудови різного роду підсилювачів і перетворювачів електричних сигналів (рис. 22, в).

Схема увімкнення зі спільним колектором має вхідний опір набагато більший за вихідний, а  коефіцієнт підсилення напруги майже дорівнює одиниці, тому ця схема застосовується для узгодження вхідних і вихідних опорів казкадно з’єднаних електронних пристроїв (Рис. 5б).

Схеми підключення біполярного транзистора

а                                                       б                                                      в

Рис. 22. Схеми підключення біполярного транзистора

Рис. 23. Т-подібна схема заміщення біполярного транзистора при підключенні СБ

Рис. 24. Т-подібна схема заміщення біполярного транзистора при підключенні СЕ

Всі три схеми вмикання БТ підсилюють потужність, а тому використовуються для побудови електронних пристроїв. Кожна із схем має свої специфічні властивості, що і визначає її використання в тому чи іншому функціональному вузлі. Для того, щоб виявити такі властивості проведемо порівняльний аналіз цих схем.

Схема з загальним емітером має вхідний опір значно більший ніж в схемі з загальною базою, але меньший ніж в схемі з загальним колектором. В схемах з загальною базою використовують два вмикання біполярних транзисторів за схемою з загальною базою: з дільником напруги та з додатковим джерелом живлення. Полярність та величини напруги визначаються положенням точки спокою. Розглянемо роботу схеми, якщо на вхід (на емітер) подається позитивний імпульс. Будемо вважати, що тривалість інформаційного сигналу набагато перевищує тривалість перехідних прооцесів, а тому ними можна знехтувати.

Проаналізуємо формування вихідного сигналу, що дасть можливість визначатись по першому показнику. При дії інформаційного сигналу на емітер (n-область) подається позитивний стрибок напруги, тобто це буде зворотнє вмикання емітерного переходу. Таким чином, для підсилення позитивного імпульсу в початковому стані емітерний перехід повинен бути відкритим.

В усіх схемах з загальним колектором при вирішенні питання про загальний для входу і виходу електрод розглядається схема за змінним струмом. З такої точки зору колектор в показаній схемі через велику ємність джерела живлення підключається до корпусу. В такій схемі керуючим сигналом є напруга, а формуванням вихідного сигналу відбувається шляхом зміни напруги, а тому для аналізу цієї схеми використовуються статичні характеристики транзистора.

Режими роботи біполярних транзисторів

Незалежно від схеми вмикання, але залежно від полярності напруги (пряма чи зворотна, прикладена до емітерного та колекторного  p – n – переходу транзистора) розрізняють такі режими роботи транзистора:

– активний, у якому емітерний p – n –перехід транзистора зміщений у прямому напрямі, а колекторний p – n –перехід у зворотному;

– насичення, у якому обидва p – n –переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;

– відсікання, коли до обох p – n –переходів прикладені напруги оберненої полірності;

– інверсний, у якому до емітерного p – n –  переходу прикладена напруга оберненої полярності, а до колекторного – прямої, тобто колектор і емітер помінялися ролями порівняно з активним режимом.

Для дослідження радіоелектронних транзисторних схем використовують класичні методи розрахунків електричних схем, до складу яких входять конденсатори, індуктивності, резистори, керовані генератори напруги та струму. Це стало можливим, коли були розроблені моделі транзистора. Основна задача моделювання – це визначення зв’язку між фізичними параметрами та електричними характеристиками транзистора. Для цього транзистор зображують еквівалентними схемами, до складу яких входять названі вище прості елементи електричних схем.

Розглянемо різні варіанти моделі біполярнрго транзистора, які дозволяють реалізувати той чи інший метод розрахунку електричних схем.

Для збільшення швидкості використовують різні схемні рішення. Наприклад, між базою та колектором включають напівпровідниковий діод, що забезпечує нелінійний зворотній зв’язок. В режимі відсічки та активному режимі на діоді діє зворотня напруга, він має великий опір і не впливає на роботу ключа. В режимі насичення діод відкривається, чим забезпечується обмеження струму бази і накопичення заряду. Це викликає збільшення нерівномірного заряду, а відповідно – тривалості розсмоктування. Врешті решт тривалість вимикання прямує до tс, що суттєво збільшує швидкодію ключа. Таке схемне рішення використовуєтьсяв логічних інтегральних схемах з бар’єром Шотткі.

Активний режим роботи біполярного транзистора

Активний режим є проміжним. У ньому емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний – у зворотному. Транзистор у цьому режимі працює як підсилювач сигналу: змінам вхідного сигналу тут відповідають пропорційні зміни вихідного.

Розглянемо роботу транзистора n-p-n, увімкненого за схемою спільна база в активному режимі.

До емітерного p – n –переходу транзистора в активному режимі прикладена напруга прямої полярності, достатня для того, щоб основні носії заряду емітера змогли здолати потенціальний барєр.

Під дією прикладеної прямої напруги основні носії з ділянки емітера переходять (інжектуються) в базу, створюючи струм емітера IЕ. Оскільки база виготовляється вузькою (розмір бази приблизно дорівнює дифузній довжині носіїв) і з низькою концентацією основних носіїв, то переважна більшість (99…99,8 %) носіїв заряду, інжектованих з емітера в базу, не стикаються на своєму шляху з носіями зарядів іншої полярності і досягають колекторного переходу. Незначна кількість інжектованних з емітера носіїв рекомбінує в базі, створюючи струм бази IБ.

Інжектовані з емітера носії заряду для бази є неосновними, тому, досягнувши колекторного переходу, вони потрапляють у прискорювальне електричне поле  колекторного джерела енергії, напруга якого добирається набагато більшою за напругу емітерного джерела. Прискорені електричним полем носії заряду досягають колектора, створюючи струм колектора IК.

Таким чином, для біполярного транзистора можна записати рівняння струмів в активному режимі:

IЕ = IК + IБ .

Відношення вихідного струму IК транзистора, ввімкненого за схемою зі спільною базою, до вхідного струму IЕ  називається коефіцієнтом  підсилення струму емітера:

= IК / IЕ .

За коефіцієнтом підсилення струму емітера і рівнянням струму транзистора визначають коефіцієнт підсилення струму бази:

= IК / IБ =  / 1-      .

Коефіцієнт підсилення струму емітера       менший за одиницю і становить 0,90…0,999.

Рис. 25. Розподіл струмів в транзисторі в активному режимі

Рис. 26. Розподіл концентрації неосновних носіїв заряду в транзисторі в активному режимі

Рис. 27. Структура p-n-p транзистора в схемі із спільною базою в активному режимі

Режим насичення

У режимі насичення, який настає при великому відповідному вхідному сигналі, колекторний переходи зміщені у прямому напрямку, транзистор повність відкритий, тобто залежить тільки від опору навантаження та зовнішньої напруги )вихідний опір транзистора знижується до дуже малої величини).

У цьому режимі на обидва p – n – переходи транзистра подається напруга прямої полярності і обидва переходи відкриваються. У базу інжектуються основні носії як із емітера, так і з колектора. Опір емітерного і колекторного p – n –переходу різко зменшується, а отже, різко зменшується опір між усіма трьома електродами транзистора.

Режим насичення застосовується у тому разі, якщо потрібно зменшити майже до нуля опір між двома елементами кола, зєднаними через транзистор, тобто для комутації елементів електричного кола.

Режим відсікання

У режимі відсікання, що настає з поданням до вхідного кола транзистора сигналу, який забезпечує повне запирання приладу, обидва переходи зміщені у зворотному напрямку (закритий стан транзистора). При цьому у вихідному колі протікає струм, що є зворотним струмом емітерного та колектерного переходів, а опір транзистора високий.

У режимі відсікання на емітерний і колекторний p – n –переходи подається напруга зворотної полярності і обидва переходи закриваються. В емітерному і колекторному колах протікають теплові струми неосновних носіїв заряду, абсолютне значення яких становить одиниці мікроампер. Опори емітерного і колекторного p – n – переходів настільки велиекі, що можна вважати емітерне і колекторне кола розімкненими. Режим відсікання транзистора застосовують для розмикання електричних кіл.

Якщо у процесі роботи транзистор під дією імпульсів керування переходить від режиму насичення до режиму відсікання і навпаки, то вважають, що транзистор працює у ключовому режимі. Ключовий режим транзистора застосовують для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл, тобто у ключовому режимі транзистор працює як швидкодійний електричний комутатор.

Статичні вольт-амперні характеристики біполярного транзистора

Транзистор, увімкнений за будь-якою схемою (СК,СБ,СЕ) як чотириполюсник, характеризується  такими фізичними величинами : вхідною і вихідною напругами та вхідним і виїхідним струмами.

Взаємозвязок між цими величинами наочно ілюструють статичні вольт-амперні характеристики транзистора.

Для аналізу властивостей транзисторів та розрахунку транзисторних схем користуються графічними залежностями між струмами та напругами. В транзисторах взаємно зв’язані чотири величини I1, U1, I2, U2 – вхідні та вихідні струми та напруги. Статистичні характеристики знімаються при відсутності навантаження на вихідному колі і при умові, що одна з вказаних величин залишається постійною. При зміні цієї величини, яку називають параметром, одержують сімю статичних характеристик.

Для біполярних транзисторів використовують чотири сім’ї статичних характеристик:

– сімейство вхідних характеристик;

– сімейство вихідних характеристик;

– сімейство характеристик управління;

– сімейство характеристик зворотнього зв’язку.

Для кожної з трьох схем  вмикання транзистора  існуює своє  сімейство характеристик. В довідниках приводяться характеристики для схем з загальною базою та схем з загальним емітером. При аналізі та розрахунку схем з загальним колектором використовують статичні характеристики схем з загальним емітером.

Оскільки напруги та струми транзисторів n-p-n та p-n-p мають різні знаки, то інколи характеристики представляють в чотирьох квадратах координатної решітки, тобто негативні значення напруг та струмів відкладають по осям ліворуч та вниз. Але зручніше їх відкладати праворуч і вверх в любому випадку. Так будемо представляти характеристиеки, що розглядаються нижче. А полярність напруг на транзисторі та напрямок струмів в його електродах завжди визначаються відповідно типу транзистора незалежно від того, як відображені його характеристики.

Вхідною характеристикою транзистора називається залежність вхідного струму від вхідної напруги за умови незмінності вихідної напруги. Для схеми ввімкнення з СЕ вхідна характеристика танзистора – це  залежність струму бази IБ  від напруги база-емітер UБЕ , за умови, що наруга колектор –емітер стала (UКЕ = const). Вхідні характеристики транзистора ( IБ =  (UБЕ), UКЕ= const) наведені на рис. 28, а.

Вихідною характеристикою транзистора називається залежність вихідного струму від вихідної напруги за умови незмінності вхідного струму. Для схеми ввімкнення з СЕ вихідна характеристика транзистора – це залежність струму колектора IК   від напруги колектор-емітер (UКЕ ), за умови, що стум бази сталий (IБ =const) . Вихідні характеристики транзистора  наведені на рис.28, б.

Розглянемо процес посилення синусоїдального сигналу, користуючись вхідною і вихідною характеристиками транзистора (рис.28).

                                                   а).                                                         б).

      Рис. 28. Процес посилення синусоїдального сигналу схемою СЕ

Очевидно, що напруга вхідного сигналу Uвх синфазно змінює струм бази. Зміна базового струму викликає пропорційні зміни струму колектора і напруги на колекторі. Для знаходження значень цих величин скористаємося рівнянням електричного стану колекторного кола, складеним по другому закону Кирхгофа:

Ек = Uk +Ik Rk ,

звідки напруга на колекторі Uk  = Ек - Ik Rk .

Останньому рівнянню відповідає пряма, що називається лінією навантаження, яка будується на сімействі статичних вихідних характеристик транзистора. Лінію навантаження по постійному струму можна побудувати по двох точкам, які легко знаходяться на розгляді граничних режимів роботи транзистора. При Ik = 0,  що відповідає Uk  = Ек, визначається точка на осі абсцис, а при Ik = Ек / Rk , що відповідає Uk  =0, знаходиться інша точка на осі ординат. Всі можливі значення струмів і напруг на транзисторі лежить в точках перетину кривих сімейств статичних вихідних характеристик з лінією навантаження по постійному струму. Вони не повинні виходити за максимально допустимі значення струму і напруги колектора і повинні обмежуватися кривою Рк max .

На рис. 28,б показана лінія навантаження по постійному струму, а також криві   iк і uk. Оскільки при збільшенні струму бази падіння напруги на опорі Rk збільшиться, потенціал колектора зменшиться. Це означає, що посилена синусоїдна вихідна напруга опиняється в протифазі з вхідною напругою. Тому говорять, що підсилювач про СЕ є інвертуючим. При посиленні імпульсного сигналу його полярність змінюється на протилежну.

Точка перетину прямої навантаження із статичною характеристикою, що оприділяється початковим вхідним струмом Iоб,  називається початковою робочою точкою. При відсутність вхідного сигналу робочу точку називають точкою спокою р, яка визначає струм Iок і напругу Uок спокою вихідного кола. Початковий вхідний струм або струм зсуву бази визначається опором Rб, значення якого можна розрахувати по формулі

Rб = (Ек - Uоб)/ Iоб ≈ Ek / Iоб ,

де Uоб , Iоб,  - відповідно початкова вхідна напруга і струм спокою.

h-параметри біполярного транзистора

Як випливає з аналізу  вольт-амперних характеристик, транзистор – це нелінійний елемент електричного кола. Але в більшості випадків транзистор працює в режимі так званого “малого сигналу”, тобто в такому режимі, коли вхідні і вихідні струми і напруги (IВХ, IВИХ, UВХ , UВИХ) мають незначні відхилення від сталих значень, сукупність яких називають робочою точкою транзистора. Відхилення від робочої точки вхідних струму IВХ та напруги UВХ і вихідних струму IВИХ та напруги UВИХ пов’язані між собою системою лінійних рівнянь

UВХ = h11 IВХ  + h12   UВИХ ,

IВИХ = h21   IВХ     + h22  UВИХ  ,

де h11 ,h12 ,h21 , h22 – мало сигнальні параметри транзистора, скорочено h –параметри, тобто такі параметри, коли транзистор можна вважати лінійною системою.

Для транзистора, увімкненого за схемою з СЕ рівняння набирає такого вигляду:

UБЕ = h11Е  IБ + h 12Е    UКЕ;

IЕ  =  h21Е   IБ   +  h22Е  UКЕ .

Розглянемо фізичне тлумачення h-параме6трів транзистора.

h11Е – вхідний опір транзистора в режимі короткого замикання на виході

h11Е  =     UБЕ /   IБ   ,              UКЕ = 0;

h 12Е –коефіцієнт зворотного звязку  транзистора за напругою в режимі холостого ходу на вході

h 12Е =    UКЕ/     UБЕ ,    IБ = 0  ;

h 21Е – коефіцієнт передачі струму в режимі  короткого замикання на виході

h 21Е =    IК  /   IБ     ,     UКЕ = 0;

h22Е -- вихідна провідність транзистора в режимі короткого замикання на вході

h22Е =     IК /     UКЕ ,     IБ = 0  .

h параметри визначаються за експериментально знятими  вольт-амперними характеристиками транзистора. Мало сигнальній лінійній моделі транзистора відповідає схема заміщення транзистора, якою доцільно користуватися для розрахунків  транзисторів в режимі “малого сигналу”.

1.4.4. Польові транзистори

Польовим транзистором називається напівпровідниковий прилад, у якого на відміну від біполярного транзистора, використовуються основні носії заряду однієї полярності. Рух основних носіїв заряду відбувається під дією повздовжнього електричного поля, а керування здійснюється  поперечним електричним полем.

Польові транзистори мають високий вхідний опір, стійкість до радіоактивного випромінювання, менший порівняно з біполярними транзисторами рівень власних шумів і меншу залежність параметрів від впливу температури.

Будова польового транзистора

Польовий транзистор складається з каналу напівпровідника, по якому рухаються носії зарядів, витоку (В) –через який у канал проходять основні носії заряду, стоку (С) – ділянки через яку вони стікають з каналу, затвору (З) –за допомогою якого здійснюються керування рухом основних носіїв у каналі. Канал може мати електропровідність як  p-типу, так і n-типу. Відповідно розрізняють польові транзистори з p-каналом і n-каналом.

За особливостями будови затвора польові транзистори поділяються на:

– транзистори з керівним  p-n –переходом ;

– транзистори з ізольованим затвором, або МНД- транзистори

У транзисторах з p-n –переходом  затвор відділяє від каналу обернено зміщений p-n –перехід, а в транзисторах з ізольованим затвором   канал електрично ізолюється від нього шаром діелектрика (найчастіше – діоксидом кремнію). У свою чергу МНД- транзистори поділяються на  МНД- транзистори з наведеним (індуктованим) каналом і МНД- транзистори з вбудованим каналом.

   

         

                      

                      

Рис. 29. Умовні графічні позначення

Рис. 30. Еквівалентна схема полярного транзистора

Схеми ввімкнення польових транзисторів

Польові транзистори аналогічно біполярним транзисторам можуть вмикатися за такими схемами:

– зі спільним затвором (СЗ);

– зі спільним витоком (СВ));

– зі спільним стоком (СС).

Принцип дії польового транзистора ґрунтується на зміні ширини каналу під дією зворотної напруги на  p-nпереході. Зі збільшенням напруги на затворі ширина збідненого носіями шару збільшується, а поперечний переріз каналу і його провідність зменшується.

При побудові польових транзисторів використовують два способи керування опором каналу: шляхом зміни питомої провідності і матеріалу та шляхом зміни перерізу каналу. В залежності від цього виділяють два різновиди польових транзисторів: з ізольованим затвором та керуючим р-n переходом. Такі транзистори мають три електроди: витік, з якого «витікають» носії заряду; стік, куди вони «стікають»; затвор, за допомогою якого формується поперечне електричне поле.

Характеристика польових транзисторів

Основними характеристиками польового транзистора є:

– прохідна (стоко-затворна) характеристика(рис.16);

– вихідна характеристика(рис.15).

Вихідні характеристики польового транзистора

Прохідна характеристика  польового транзистора – це залежність струму стоку від напруги на затворі за умови незмінності  напруги витік –сток, тобто IС = f ( UЗВ ),  UВС = const. Прохідна характеристика польового транзистора з керівним p-nпереходом (крива 1), МДН- транзистора із вбудованим каналом (крива2), МНД- транзистора з наведеним (індукованим) каналом (крива 3) показані на рисунку . Якщо до стоку польового транзистора з керівним p-nпереходом прикласти напругу відносно витоку (потенціал витоку, як правило, приймають рівним нулю), то під дією цієї напруги по каналу йтиме струм  IC .

Напругу на затворі відносно витоку збільшуватимемо, починаючи з нуля. Зі збільшенням напруги на затворі збільшується товщина збідненого шару, зменшується поперечний переріз каналу і відповідно зменшується струм через канал. При деякому значенні напруги на затворі, яка називається напругою відсікання, струм в каналі взагалі припиниться (крива 1). Оскільки до p-nпереходу  польового  транзистора прикладена напруга зворотної полярності, то прохідна характеристика польового транзистора з керівним p-nпереходом лежить у другому квадранті.

Прохідна характеристика МНД- транзистора з вбудованим каналом знімається як додатними, так і з відємними значеннями напруги на затворі. Зі збільшенням додатних значень товщина вбудованого каналу збільшується, а для відємних значень, навпаки, зменшується і може дійти до такого значення (напруга відсікання), коли струм у каналі стане рівним нулю (крива 2 ).У МНД- транзисторі з наведеним (індукованим) каналом струм в каналі можливий лише за наявності на затворі деякої порогової напруги UПОР  (крива 3), прикладеної до затвора відносно витоку. Під дією цієї напруги у напівпровіднику  створюється (наводиться) провідний канал і на ньому починає йти струм. Зі збільшенням напруги на затворі товщина наведеного каналу збільшується, відповідно збільшуватиметься струм у каналі (крива 3).

                        

Рис.15. Вихідні характеристики польового транзистора

Вихідна характеристика  польового транзистора – це залежність струму стоку від напруги на стоці відносно витоку за умови незмінності напруги на затворі, тобто IС = f (UВС), UЗВ=const. Вихідні характеристик польового транзистора з керівним p-nпереходом наведено на рисунку.

Вихідні характеристики МНД- транзистора аналогічні.

Зі збільшенням напруги на стоці струм в каналі польового транзистора спочатку збільшується майже лінійно. Далі настає режим насичення і збільшення напруги на стоці не призводить до збільшення струму стоку. Це пояснюється тим, що напруженість поздовжнього електричного поля додається до напруженості поперечного поля і провідний канал від витоку до стоку звужується, відповідно збільшується його опір

Струм насичення польового транзистора тим менший, чим більша напруга на затворі.

Рис.16. Стокозворотна характеристика польового транзистора.

1.5.5.Тиристори

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з трьома (або й більше) p-nпереходами, які можуть знаходитися у двох станах: відкритому або закритому. У відкритому стані опір тиристора невеликий  і він добре проводить електричний струм, у закритому навпаки – опір тиристора великий і він електричного струму не проводить.

Тиристори бувають з двома виводами і мають назву діодні тиристори, або динистори, з трьома  виводами – тріодні тиристори, або тринистори.

Тиристори застосовуються у керованих випрямлячах змінного струму, у різних пристроях автоматики.

На електричних схемах тиристор позначається латинськими літерами VS.

Будова тиристорів

Тиристори виготовляються з кремнію і мають чотири ділянки, електропровідність p і n яких чергуються . Крайня  р – ділянка, яка з’єднана з позитивним полюсом джерела, називається анодом, а інша крайня n-ділянка, яка з’єднана з негативним полюсом, називається катодом. Внутрішні p- і n-  ділянки називаються базами.

Основні параметри тиристорів

Напруга перемикання UПЕР.

Напруга у відкритому стані UВ.С –падіння напруги на тиристорі у відкритому стані (UВ.С = 1…3  В).

Струм у відкритому стані IВ– максимальне значення струму відкритого тиристора.

Струм утримання – мінімальний струм тиристора, коли тиристор ще знаходиться у відкритому стані.

Відкриваючий струм керування IВ– мінімальний струм керівного електрода, необхідний для увімкнення тиристора.

Тривалість увімкнення tУВ – час від моменту подачі імпульсу відкривання до моменту, коли напруга на тиристорі зменшиться до 0,1 свого початкового значення.

Тривалість вимикання tВИМ – мінімальний час, упродовж якого до тиристора має бути прикладена напруга для закривання.

1.4.6. Система  позначень напівпровідникових приладів

Згідно з державними стандартами, всі напівпровідникові прилади, що випускаються промисловістю, позначаються літеро-цифровим кодом.

Перший елемент коду позначення характеризує напівпровідниковий матеріал, з якого виготовлений прилад:

германий –Г або 1;

кремній – К або 2;

арсенід галію –А або 3.

Другий елемент коду позначення –літерний – позначає клас приладу:

транзистори біполярні –Т;

транзистори польові –П;

випрямні діоди –Д;

діоди надвисокочастотні –А;

стабілітрони –С;

тиристори діодні –Н;

тиристори тріодні –У.

Третій елемент коду позначення – цифри від 1 до 99 – позначає діапазон основних параметрів (потужність, частота та ін).

Четвертий елемент – двозначне число від 01 до 99 – це номер розробки.

Пятий елемент – літери алфавіту – характеризує технологічні особливості виготовлення напівпровідникового приладу.

Контрольні запитання:

  1.  Що таке напівпровідник?
  2.  Які основні властивості напівпровідників?
  3.  Якими факторами зумовлена власна провідність напівпровідників?
  4.  Від чого залежить домішкова провідність напівпровідників?
  5.  Зазначте основні параметри та характеристики напівпровідникового терморезистора.
  6.  Які процеси відбуваються в електронно-дірковому переході?
  7.  Яка будова та принцип дії біполярного транзистора?
  8.  За яких режимів роботи використовується біполярний транзистор?
  9.  Назвіть особливості польового транзистора порівняно з біполярним.
  10.  Яким чином за допомогою польових транзисторів реалізується принцип реле?
  11.  Де використовуються транзистори?


Список використаної літератури:

  1.  Електротехніка. Частина 2. Толеухов О. С.
  2.  Основи електроніки. 2-ге видання. Данилов І.А. Київ 2002 р.
  3.  Загальна електротехніка з основами електроніки. Учбовий посібник для студентів не електротехнічних спеціальностей середніх спеціальних учбових закладів. 6-те видання. Данилов І. А., Іванов П. І.
  4.  Довідник   по основам електронної техніки. Видавницьке об’єднання Ващенко. Н. М., Власенко В. В. «Вища школа» 1987 р.
  5.  Кишеньковий довідник інженера електронної техніки ХХІ. Бріндлі К., Карр Дж. Видавництво «Додека».
  6.  Основи електроніки. 2-ге видання, оброблене і доповнене. Жеребцов Н. П. Видавництво «Енергія».
  7.  Радіоапаратура в нашому домі. Іванов Ю. В., Сардаре Н. А., Мірошніков С. І., Сорокін Г. Ф., Іванов Ю. В.. Тимпул 1987р.
  8.  Основи електротехніки та електроніки. Конспект лекцій. Медведенко Б. І., доцент, кандидат технічних наук. Київ 1995р.
  9.  електротехніка з основами промислової електроніки. Підручник для професіональних технічних училищ, 2-ге видання, опрацьоване і доповнене. Китаєв В. Є.. Вища школа 1985р.
  10.  Електроніка і схемотехніка. Підручник. Сосков А. Г., Колонтаєвський Ю. П.. Каравела 2006р.
  11.  Електронні пристрої та прилади в електротехніці. Текст лекцій. Глухов         
  12.  А. Я., Мельник В. П.. Київ КПІ 1983р.         

9

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46340. Расчёт и конструирование перекрытия здания 1.51 MB
  Расчёт и конструирование сборной плиты перекрытия Расчётная схема: задаёмся размерами сечения ригеля: Сбор нагрузок: нормативные и расчётные нагрузки на 1 м2 перекрытия: Вид нагрузки нормативная Н м2 коэффициент надёжности по нагрузке расчётная нагрузка Н м2 Постоянная: собственный вес ребристой плиты; вес пола: ц. Высота сечения ребристой предварительно напряжённой плиты
46342. Модернизация бульдозерного оборудования 2.98 MB
  Земляные работы являются самым распространенным видом работ строительного производства. Они применяются в транспортном, гидротехническом, промышленном и городском строительстве, а также в сельском хозяйстве. Вместе с тем они принадлежат к весьма важным видам работ, от качества которых во многом зависит устойчивость и продолжительность службы устроенных на грунтовых основаниях таких инженерных сооружений, как автомобильные и железные дороги, плотины, дамбы.
46343. Обзор конструкций гидротрансформаторов 4.18 MB
  Для предохранения от самопроизвольного включения или выключения передачи в механизмах управления применяются стержневые или шариковые фиксаторы. Специальные клапаны позволяют не только плавно переключать ступени но и производить эти переключения с определенным сдвигом по фазе. В...
46345. Разработка привода цепного конвейера 986.97 KB
  Требуемая частота вращения вала электродвигателя где общее передаточное число кинематических пар изделия: где предварительное значение передаточного числа планетарного механизма u56’ – предварительное значение передаточного числа цепной передачи. Частоту вращения приводного вала вычисляем по формуле: об мин об мин Подбираем электродвигатель мощнстью 15 кВт и синхронной частотой вращения 750 об мин по табл. Определим чатоты вращения валов:...
46346. История автомобилестроения 207 KB
  В конце XIX столетия развитие автомобилестроения двигалось медленно и неповоротливо: с современным его роднил разве что двигатель внутреннего сгорания. Однако в 1914 году, с началом первой мировой войны, — спустя всего 29 лет с момента появления первой незатейливой модели Бенца
46347. Расчет погружного насоса 362.03 KB
  Анализ и оценка опасностей при выполнении работ связанных с обслуживанием скважин оборудованных УЭЦН. Для надежной работы насоса требуется его правильный подбор к данной скважине. При работе скважины постоянно меняются параметры плата призабойной зоны пласта свойства отбираемой жидкости: содержание воды количество попутного газа количество механических примесей и как следствие отсюда идет не доотбор жидкости или работа насоса...