Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.

Количество неосновных носителей заряда определяется t и поэтому ход обратной ветви ВАХ сильно зависит от t, причем эта зависимость резко выражена для Ge диодов. Величина U пробоя тоже зависит от t. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации возрастает при повышении t. Это объясняется тем, что при повышении t увелич-ся тепловые колебания решетки, уменьш-ся длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное U. При тепловом пробое Uпроб при повышении t уменьшается.

В некотором интервале t для Ge диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина ЗЗ Ge невелика), а для Si диодов – электрическим. Это определяет значения при заданной t. При комнатной t значения для Ge диодов обычно не превышают 400В, а для Si – 1500В.

9. Стабилитрон.

                      рис.1.                 рис. 2.

Обратная ветвь ВАХ, показанной на рис. 1, т.е. явление пробоя p-n перехода, можно использовать для целей стабилизации U, пользуясь тем обстоятельством, что до тех пор пока пробой носит электрический характер характеристика пробоя полностью обратима. Полупроводник. диоды, служащие для стабилизации U, называются стабилитронами (С).

Как видно из ВАХ, в области пробоя незначительные изменения обратного U приводят к резким изменениям величины обратного I.

Предположим, что диод, имеющий такую характеристику, включен в простейшую схему, показанную на рис. 2, причем рабочая точка находится в той области ВАХ, где при изменении тока U практически остается постоянным.

В этом случае, если изменяется входное напряжение U, то изменяется I в цепи, но т.к. U на диоде при изменении I остается постоянным (изменяется R диода), то и U в точках а, б – постоянно. Если параллельно к диоду к точкам а, б подключить R нагрузки, то U на нагрузке тоже не изменится.

С изготовляются из кремния (Si). Это связано с тем, что в C может быть использована только электрическая форма пробоя, которая явл. обратимой. Если пробой перейдет в необратимую тепловую форму, то прибор выйдет из строя. Поэтому величина Iобр в C ограничена допустимой мощностью рассеивания Pрас = Uобр·Iобр.

Т.к. ширина запрещенной зоны Si больше, чем у германия, то для него электрическая форма пробоя перейдет в тепловую при больших значениях обратного I – отсюда целесообразность выполнения C из Si. Степень легирования Si, т.е. величина его удельного сопротивления ρ, зависит от величины стабилизируемого U, на которое изготовляется диод. С для стабилизации низких U изгот-ся из Si с малым удельным R; чем выше стабилизируемое R, тем из более высокоомного материала выполняется диод. Изменение стабилизируемого U от нескольких вольт до десятков вольт может быть достигнуто изменением удельного R Si.

Основным параметром C явл. U стабилизации Uстаб и температурный коэффициент U ТКН, характеризующий изменение U на C при изменении температуры (t) на 1˚С, при постоянном токе.

ТКН может принимать, как положит., так и отриц. значения в зависимости от влияния t на U пробоя Uпроб. Для низковольтных С, кот. выполняются из низкоомных полупроводников, пробой имеет туннельный характер, а т.к. вероятность туннельного перехода электронов возрастает с увеличением t, т.е. Uпроб падает, то низковольтные C имеют отриц. ТКН.

Для высокоомных стабилитронов ТКН положителен.

где U – напряж. на диоде, T – температура.

10. Варикап.

Действие варикапов (В) основано на использовании емкостных свойств р-п перехода.

Обычно используется зависимость величины барьерной емкости Сзар от U в области обратных напряжений. В общем виде зависимость величины зарядной емкости от U имеет вид;

                            Сзар≈А(φк-U)-υ,

где А – постоянная,

φк – высота потенциального барьера,

U – внешнее напряжение,

υ = 1/2 – для резких переходов,

υ = 1/3 – для плавных переходов.

        рис. 1.

Эта зависимость изображена на рис. 1, где сплошной линией показана характеристика плавного перехода, а пунктирной – резкого перехода.

(В) могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется В, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического U подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью U и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.

Очевидно, что в качестве управляемой емкости может работать любой полупроводниковый диод, при условии, что величина его зарядной емкости достаточно велика. К специальным параметрическим диодам, работающим в параметрических усилителях на высоких и сверхвысоких частотах, предъявляются повышенные требования: они должны обладать сильной зависимостью емкости от U и малым значением сопротивлением базы для повышения максимальной рабочей частоты.

11. Высокочастотные диоды.

В высокочастотных полупроводниковых диодах так же, как и в выпрямительных диодах, используется несимметричная проводимость p-n перехода.

Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные диоды (до сотен МГц), и подразделяются на универсальные и импульсные. Универсальные ВЧ диоды применяются для получения высокочастотных колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по амплитуде высокочастотных колебаний – колебаний с частотой модуляции (детектирование), для преобразования частоты. Импульсные диоды применяются как переключающий элемент в импульсных схемах.

При работе полупроводникового диода на высокой частоте большую роль играет емкость перехода, обусловливающая инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления

Кроме того, эффективность выпрямления снижается за счет того, что часть подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы.

Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы.

Требования уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим уменьшения площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае, если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя. Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое – в закрытом, и мгновенно переходить из одного состояния в другое. В реальном случае при переключении ВЧ диода из закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течение некоторого времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению формы переключаемых импульсов.

При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au, Cu, Ni), что снижает время жизни неравновесных носителей заряда. Толщина n-области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время жизни неравновесных носителей, и сопротивление базы. Конструктивно в.ч. диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень малой площадью перехода.

12. Биполярный транзистор.

Бип. тр-ром (БТ) наз-ся электропреобразовательный полупроводниковый (ПП) прибор, имеющий два взаимодействующих перехода. Тр-р представляет собой кристалл ПП, содержащий 3 области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различ. БТ типов p-n-p и n-p-n. Принцип действия БТ различных тип. одинаков. Тр-ры получили назв. бипол., т.к. их работа обеспеч-ся носителями зарядов двух типов основными и неосновн.

Схематическое устр-во и условн. графич. обознач. p-n-p и n-p-n тр-ров показ. на рис. 1.

рис. 1.

Одну из крайних областей тр-ной структуры создают с повыш. концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и наз. эмиттером. Среднюю область наз. базой, а крайнюю обл. – коллектором. Два перехода БТ наз. эмиттерным и коллекторным.

В завис. от того, какой электрод имеет общую точку соедин-я со вх. и вых. цепями, различ. 3 способа включ. тр-ра: с ОБ, ОЭ и ОК. Электрич. парам-ры и хар-ки БТ существенно различ-ся при разных схемах вкл.

По режимам работы p-n перехода различают 4 режима работы тр-ра:

1. Активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Этот режим работы явл. обычным усилительным, при котором искажения сигнала min.

2. Режим насыщения – оба перехода откр. Падение U на откр. эмит. и колл. переходах напр. встречно, однако I в цепи Э-К проходит в одном напр., напр. от К к Э в тр-ре n-p-n типа (рис. 2.а). Тр-р работает в реж. насыщ. при относит. больших токах базы. Инжекции электронов в Б при этом становится столь сильной, что цепь К становится неспособной извлекать избыточные электроны из Б также эффективно, как в активном режиме. Концентрация электронов в Б у колл. перехода становится сравнимой с концентр. их у эмитт. перехода (рис. 2.b), что соотв-ет прямой полярности U на колл. переходе.

рис. 2.

3. Режим отсечки оба перехода закрыты. Он характ-ся очень малыми I ч/з запертые переходы тр-ра.

4. В инверсном реж. эмитт. переход закр., а колл. откр., т.е. Т вкл. «наоборот»: К работает в качестве Э, Э в качестве К.

Параметры БТ.

В справочниках приводятся основные и предельные параметры тр-ра.

К основным пар. относятся:

1. Емкость колл. перехода Ск;

2. Коэфф. усиления (передачи) по току h21Э;

3. Обратный I колл. перехода при включенном эмитт. Iкб0;

4. Предельная частота fa;

5. Сопротивление базы Rб.

13. Статические ВАХ биполярного тр-ра включенного по схеме с ОБ.

Статические хар-ки представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между I, протекающими в транзисторе, и U на его p-n-переходе при Rн = 0.

Вх. и вых. I и U различны для различных схем включения транзистора. Каждая из схем включения может быть охарактеризована четырьмя семействами статич. хар-тик. Практически обычно пользуются вх. и вых. характеристиками для схем с ОБ и ОЭ.

Рассм. ход статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, ход которых показан на рис. 1

рис. 1.

Вид хар-ки, снятой при Iэ=0, соответствует обратной ветви ВАХ одиночного p-n-перехода. В этом случае Iк=Iк0, где Iк0 – нулевой коллекторный ток.

Если Iэ > 0, то значения I коллектора увеличиваются за счет носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу. В этом случае коллекторный I протекает и при Uкб = 0. Для того, чтобы уменьшить значение колл-го I до 0, необходимо подать на колл-ный переход прямое U, при этом потенциальный барьер перехода снизится, и навстречу потоку неосновных носителей заряда потечет поток основных носителей заряда; при равенстве этих потоков колл-ный ток Iк равен нулю.

При увеличении обратного U на коллекторе снятые хар-ки, имеют небольшой подъем, т.е. Iк, возрастает при увеличении U на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением обратного коллекторного U растет ширина коллекторного перехода (в основном в сторону базы), уменьшается рекомбинация неосновных носителей в толще базы, уменьшается рекомбинационная составляющая I базы, и I коллектора Iк=Iэ - Iб при Iэ=const несколько растет. Хар-ки, снятые ч/з равные интервалы изменения I эмиттера, располагаются неравномерно: чем больше значения I эмиттерного перехода, тем ближе друг к другу располагаются хар-ки. Это объясняется тем, что возрастание эмиттерного I приводит к увеличению рекомбинации, а значит к уменьшению Iк.

При больших значениях Iк коллекторное напряжение возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе.

Большую роль в работе транзистора играет обратный неуправляемый I коллекторного перехода Iк0, кот. явл. частью Iк при любом значении Iэ. Т.к. Iк0 представляет собой ток неосновных носителей заряда, число которых непосредственно зависит от температуры, то его существование предопределяет температурную нестабильность работы транзистора.

14. Статические ВАХ бип. тр-ра вкл. по схеме с ОБ.

Рассм. ход статических вх. хар-ик транзистора, вкл. по схеме с ОЭ Iб=F(Uбэ)|Uкэ=const.

В этом случае они имеют вид, показанный на рис. 1.

     рис. 1

Рассм. ход хар-ки, снятой при Uкэ=0. Если на коллекторную p-область подан нулевой, а на базовую n-область – отрицательный потенциал (т.е. |Uкэ| < |Uбэ|), то коллекторный переход находится под прямым U, и через него протекает диффузионная составляющая I (ток основных носителей заряда), которая замыкается через базу.

Через эмиттерный переход, на кот. от батареи подается прямое U, также протекает диффузионная составляющая I, причем, т.к. подача Uкэ=0 для схемы с ОЭ означает короткое замыкание между колл. и эмитт., I эмиттера тоже замыкается через базу. При изменении Uбэ каждый из этих токов изменяется в соответствии с ходом прямой ветви ВАХ p-n-перехода. В базовом выводе эмиттерный и коллекторные токи протекают в одном направлении, т.е. Iб = Iэ + Iк и вх. хар-ка, снятая при Uкэ = 0, представляет собой прямую ветвь ВАХ двух параллельно включенных p-n-переходов.

Если вх. хар-ка снимается при каком-то значении обратного коллекторного U |Uкэ| > |Uбэ|, то на коллекторный переход подается обратное U. В этом случае I коллектора меняет свое направление, I эмиттера замыкается через цепь коллектора, и I базы является суммой двух противоположно направленных составляющих, рекомбинационной и тока I’к0.

При Uбэ=0 рекомбинационная составляющая тока базы Iэ(I-α())=0 и в цепи базы протекает только ток I’к0. После того, как на эмиттерный переход подано прямое напряжение Uбэ>0, появляются эмиттерный ток и рекомбинационная составляющая тока базы по величине меньшая, чем ток I’к0. В цепи базы протекает разностный ток. При увеличении Uбэ рекомбинационная составляющая растет, разностный ток I’к0 - Iэ(I-α()) уменьшается, и при Iэ(I-α())=I’к0 ток базы равен нулю. При дальнейшем увеличении Uбэ ток базы меняет свое направление, и в цепи базы протекает разностный ток уменьшается и при Iэ(I-α())-I’к0.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5