Вольт-амперная характеристика диода

Как видно из приведенной характеристики, обратный ток _обр относительно мало изменяется до приближения к предельному значению, называемому напряжением пробоя U_BR . Увеличение обратного напряжения свыше U_BR сопровождается резким возрастанием обратного тока _обр , которое объясняется лавинообразным увеличением носителей заряда в р–n-переходе (лавинный пробой).

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода может быть аппроксимирована прямой линией. Отрезок, отсекаемый этой линией на оси абсцисс, равен пороговому напряжению U₀ , а котангенс угла , под которым эта линия пересекает ось абсцисс, представляет собой дифференциальное сопротивление_д . В этом случае значения прямого напряжения U_пр и тока i_пр связаны линейной зависимостью:

U_пр = U₀ + i_{пр д}

где U_пр – прямое падение напряжения на диоде; U₀ – начальное или пороговое падение напряжения; i_пр–значение прямого тока; _д =ctg – дифференциальное сопротивление.

Для силовых вентилей электровозов начальное падение напряжения находится в диапазоне значений 0,6–1,0 В, а дифференциальное сопротивление – в пределах 0,0005…0,0025 Ом.

34. Биполярный транзистор состоит из трех областей: Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она эмиттирует электроны), правая n-область называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является общей для эмиттерной и коллекторных областей полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером, коллектором и базой транзистора.

В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой.

35. Биполярный транзистор представляет собой соединение двух p-n переходов, левый из которых называется эмиттерным p - n переходом, а правый – коллекторным p - n переходом

36. При воздействии на транзистор больших по величине сигналов р-n переходы транзистора при расчётах могут быть заменены двумя встречно включёнными диодами. Упрощенная эквивалентная схема в этом случае представлена на рис.2.21б, а на рис.2.21в представлено изображение биполярного транзистора в электрических схемах.

37. Изобретение американским учёным Шокли и его коллегами в 1948 году биполярного транзистора (это изобретение по многим опросам уверено входит в пятёрку самых выдающихся изобретений ХХ века) состояло в том, что два p-n перехода удалось соединить в один прибор при выполнении одновременно двух условий:

1.Проводимость эмиттерной области была существенно больше проводимости базовой области, т.е. концентрация электронов в эмиттерной зоне была много больше концентрации дырок в базовой зоне.

2.Толщина базовой области, т.е. расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами транзисторов было достаточно малым (в современных биполярных транзисторах оно порядка 1 мкм).

Совпадение двух названных условий позволило создать биполярный транзистор – активный прибор, обеспечивающий получение на выходе электрического сигнала большего по мощности, чем входной.

Для того, чтобы транзистор мог усиливать электрический сигнал, т.е. работать в активном режиме, эмиттерный переход транзистора нужно сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Это можно сделать, в частности, при включении транзистора по схеме с общей базой (рис.2.22). При этом источник Е_Эсмешает эмиттерный переход в прямом направлении, а источник Е_К смещает коллекторный переход в обратном направлении. Эти два источника включены последовательно, причём их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой.

рис.2.22

38. Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своём движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника Е_К заставит их пройти р-n переход .Возникнет коллекторный ток I_К (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, т.к. коллекторный р-n переход закрыт с помощью источника Е_К). Меньшая часть электронов, попадающих в базу, не дойдёт до коллектора, т.к. электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок).

39. При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдёт эмиттерный ток I_Э. Этот ток будет состоять из потока электронов из эмиттерной области в базовую I_n и потока дырок из базовой области в эмиттерную I_p: I_Э=I_n+I_p. Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости слоя базы, можно пренебречь током дырок I_p и считать, что I_Э<I_n.

 

Источник Е_Э смещает эмиттерный переход в прямом направлении, а источник Е_К смещает коллекторный переход в обратном направлении. Эти два источника включены последовательно, причём их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой.

Достоинства

• Хорошие температурные и частотные свойства.

• Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой

• Малое усиление по току, так как α < 1

• Малое входное сопротивление

• Два разных источника напряжения для питания.

41. При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдёт эмиттерный ток I_Э. Этот ток будет состоять из потока электронов из эмиттерной области в базовую I_n и потока дырок из базовой области в эмиттерную I_p: I_Э=I_n+I_p. Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости слоя базы, можно пренебречь током дырок I_p и считать, что I_Э = I_n.

Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своём движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника Е_К заставит их пройти р-n переход. Возникнет коллекторный ток I_К (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, т.к. коллекторный р-n переход закрыт с помощью источника Е_К). Меньшая часть электронов, попадающих в базу, не дойдёт до коллектора, т.к. электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок).

42. По первому закону Кирхгофа эмиттерный ток будет равен сумме коллекторного и базового токов:

I_Э=I_К+I_Б, (13)

где I_Б – это ток дырок, которые будут рекомбинировать в базе с электронами. Следовательно, в образовании токов в транзисторе используются заряды обоих знаков, как отрицательные - электроны, так и положительные - дырки. По этой причине транзистор называется биполярным.

43. Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором иэмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем.( самое важное!!!) Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах) , так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. 45. Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. КАНАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР — то же, что полевой транзистор …    (Энциклопедический словарь) Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками) , поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных) . 46. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. (Вот тут придется подумать!!! )

47. Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет 3 вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.

На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:

1. G – затвор (от англ. – Gate «затвор», «ворота»);

2. S – исток (от англ. – Source «источник», «начало»);

3. D – сток (от англ. – Drain «отток», «утечка»).

47. Назначением эмиттера является инжекция (впуск, впрыскивание, но не эмиссия в обычном понимании этого термина) носителей заряда в базу. База – это область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для нее носители заряда. Коллектор – область, назначением которой является экстракция (прием, поглощение) носителей заряда из базы. Если использовать как ключ то на эмиттер подается напряжение питания, база будет входом,  а коллектор выходом.  затвор = база исток = эмиттер сток = коллектор

48. Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда , протекающих через канал, управляется электрическим полем. В полевых транзисторах ток обусловлен носителями заряда только одного знака, в связи с чем их относят к классу униполярных транзисторов. В полевых транзисторах электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называется истоком (И (S)), а электрод, через который из канала носители заряда вытекают, - стоком (С (D)). Электрод, на который подается управляющий электрический сигнал, называется затвором (З (G)). Проводящий канал – это область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда.

В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные транзисторы изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.

47. При протекании тока в канале под затвором образуется падение напряжения в канале, которое является обратным для р-n перехода, причем, ближе к истоку оно будет меньше, чем ближе к стоку. Таким образом, p-n переход оказывается под разными обратными напряжениями, от этого и зависит его ширина.

48. Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

47. В МДП-транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет электрического поля, а технологическим путем. В этом случае мы также напряжением на затворе управляем проводимостью этого канала, причем в более широком интервале значений Uзи, поскольку такой канал существует и при нулевом напряжении на затворе. Для МДП-транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение отсечки. Напряжение отсечки – это напряжение на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи сток – исток стремится к нулю. Транзисторы со встроенным каналом работают при обеих полярностях напряжения на затворе: при отрицательной полярности канал обедняется носителями (для n-канального транзистора) и ток стока уменьшается, при положительной полярности канал обогащается электронами (для n-канального транзистора) и ток увеличивается. Для р-канального транзистора полярности противоположные. Встроенный канал обычно выполняют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования.

При увеличении напряжения на затворе концентрация неосновных носителей электронов начинает очень быстро увеличиваться, а концентрация дырок уменьшатся и при определенных Uзи > Uпор. происходит изменение типа электропроводности с дырочной на электронную (происходит инверсия типа проводимости) – образуется инверсионный слой электронов, т. е. проводящий канал n-типа проводимости, который соединяет область истока с областью стока. Такой канал называется индуцированным.