Электроника учебное пособие

денного частного примера можно сделать вывод, который оказывается справедливым для всех ЭП с нелинейной ВАХ: численное значение дифференциального параметра зависит от положения рабочей точки на ВАХ.

Электронный прибор в рабочей точке может характеризоваться и сопротивлением по постоянному току Rпт . Для определения этого параметра достаточно найти отношение напряжения к току в выбранной точке ВАХ, т.е.

Rпт = U0 . I0

Статические ВАХ и дифференциальные параметры, найденные непосредственно по статическим ВАХ, целесообразно использовать для расчета электронных схем, работающих на частотах, на которых не сказываются реактивности ЭП и инерционность носителей заряда. В общем случае для анализа частотных характеристик электронные схемы моделируют с применением эквивалентных схем электронных приборов по переменному току. Иногда вместо термина "эквивалентная схема" используется термин "схема замещения". Эквивалентной принято называть схему, реакция которой на входное воздействие одинакова (с определенной степенью точности) с реакцией самого электронного прибора.

Можно выделить два подхода к построению эквивалентной схемы электронного прибора. Основываясь на знании физических процессов и свойств отдельных областей ЭП, эквивалентную схему представляют в виде сопротивлений, емкостей, индуктивностей, источников тока или ЭДС, соединенных определенным образом между собой. Полученная таким образом эквивалентная схема называется физической. Однако эквивалентную схему можно получить и не обращаясь к внутренним процессам в электронном приборе, а установив лишь формальные соотношения между токами и напряжениями на внешних выводах ЭП. Такая эквивалентная схема называется формальной. Фактически формальная эквивалентная схема сводит анализируемый электронный прибор к активному четырехполюснику с соответствующими входными и выходными токами и напряжениями.

До последнего времени расчет электронных схем проводился в основном вручную с применением простейших математических приборов (логарифмическая линейка, арифмометр, непрограммируемый калькуля-

11

тор). Появление быстродействующих ЭВМ с соответствующим программным обеспечением, персональных компьютеров, использование интерактивного режима позволили в настоящее время перейти к машинному проектированию электронных схем. При машинном проектировании можно более точно учесть процессы в электронных приборах, что, естественно, приводит к усложнению и эквивалентных схем, и уравнений, их описывающих. При таких расчетах электронный прибор представляется математической моделью, под которой понимается система уравнений, описывающая электрические процессы в приборе и позволяющая определить с требуемой точностью необходимые характеристики и параметры ЭП в различных условиях работы.

Контрольные вопросы

1.Какое основное различие между активными и пассивными элементами электрической цепи?

2.Перечислите основные законы, которые определяют свойства резистора, емкости и индуктивности.

3.Нарисуйте условные обозначения резистора, емкости и индук-

тивности.

4.Дайте определение электронных приборов.

5.Какие способы классификации электронных приборов вы можете назвать?

6.Что такое вольт-амперная характеристики электронного прибора?

7.Что такое семейство вольт-амперных характеристик электронного прибора?

8.Каково назначение эквивалентной схемы электронного прибора?

9.Какие способы построения эквивалентных схем электронных приборов вы знаете?

10.В чем достоинства и недостатки использования математических моделей электронных приборов при расчете параметров электронных схем?

12

ГЛАВА 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый (ПП) прибор с одним электрическим p-n переходом и двумя выводами (анодом и катодом). Важное свойство ПП диодов – односторонняя проводимость – широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов. Условное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 2.1, а.

В случае, когда на анод прикладывается положительный потенциал, диод открывается, т.е. проводит электрический ток. Если на аноде отрицательный потенциал, то диод закрыт, электрический ток не протекает.

Большинство ПП диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную – базой.

Рис. 2.1. Условное обозначение: а – полупроводниковый диод, б – стабилитрон, в – варикап, г – диод Шотки

§ 2.1. СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Идеализированная вольт-амперная характеристика диода для прямой и обратной ветви описывается выражениями (2.1) и (2.2) соответственно (рис. 2.2):

13

где rб – омическое сопротивление базы диода. Падение напряжения на диоде U зависит от тока I, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым IT .

Реальная вольт-амперная характеристика диода отражает зависи-

мость тока, протекающего через реальный p-n-переход от приложенного к нему напряжения. ВАХ реального диода зависит от падения напряжения на базе диода и может быть описана следующим выражением:

14

Прямая ветвь

Участок 0-1. Возрастание тока происходит при подаче на диод напряжения, величина которого превышает контактную разность потенциалов на границе p-n-перехода, характеризуемую высотой потенциального барьера (Uбар );

Участок 1-2. Омический линейный участок. Внешнее напряжение распределяется между сопротивлением базы и сопротивлением p-n перехода. Падение напряжения на сопротивлении rб становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Сопротивление базы значительно больше по сравнению с сопротивлением перехода, данное обстоятельство обусловливает линейный характер участка 1-2

Обратная ветвь. Рост обратного тока обусловливается различными факторами, но определяющим считается движение неосновных носителей, которые, попав в поле электронно-дырочного перехода, будут им захватываться и переноситься через p-n-переход.

Участок 3-4-5-6. Область, определяемая электрическим пробоем. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. Неосновные носители заряда, движущиеся через p-n-переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n-перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон-дырка. Появившиеся носители заряда ускоряются и могут вызвать ионизацию следующего атома.

15

Тепловой пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в p-n-переходе, больше количества теплоты, отводимой из него. При разогреве p-n-перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение обратного тока через p-n-переход. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В итоге ток через p-n-переход лавинообразно увеличивается и наступает тепловой пробой.

Участок 3-4-5 характеризуется возникновением туннельного и/или лавинного пробоя. Туннельный и лавинный пробои обратимы.

Участок 5-6 характеризуется тепловым пробоем. Тепловой пробой – необратимый, приводит к разрушению диода.

Участок 4-5 свойственен кремниевым диодам, у германиевых диодов электрический пробой сразу переходит в тепловой.

Наряду с электропроводностью p-n-переход имеет и определенную емкость, которая также влияет на величину тока, протекающего через диод. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы p-n-перехода.

Емкость p-n-перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p-n-переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи p-n-перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном – барьерная. Емкость p-n-перехода зависит от приложенного напряжения и его полярности. При изменении запирающего напряжения, например увеличении, ширина p-n-перехода увеличивается и часть подвижных носителей заряда (электронов в области n и дырок в области p) отсасывается электрическим полем от слоев, прилегающих к переходу. Перемещение этих носителей вызывает в цепи ток, который становится равным нулю по окончании переходного процесса изменения границ p-n-перехода (барьерная емкость). При подключении к p-n-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения толщины p-n-перехода. Однако в этом случае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль, и емкость p-n-перехода определяется в основном диффузионной составляющей емкости.

16

§ 2.2. ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДИОДОВ

Параметры диодов – это справочные величины, которые описывают предельные и номинальные режимы функционирования диодов. Можно выделить следующие основные параметры диодов:

1) Максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр max –

значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод способен выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности.

2) Средний обратный ток диода Iобр. ср – среднее за период значе-

ние обратного тока.

3) Средний выпрямленный ток диода Iпр. ср – среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод.

4)Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока Uпр. ср .

5)Средняя рассеиваемая мощность диода Pср. д – средняя за период

мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях.

Рассмотрим основные типы диодов, широко используемые на практике. Выпрямительные диоды (ВД) предназначены для преобразования

переменного тока промышленной частоты в постоянный. В выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяются

последовательно. Для увеличения выпрямленного тока может использоваться параллельное включение диодов.

Стабилитроны (см. рис. 2.1, б). Предназначены для использования в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок в области электрического пробоя. Максимальный ток ограничивается лишь мощностью, рассеиваемой переходом (справочная величина).

17

Варикапы (см. рис. 2.1, в). Зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. Для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения емкости. Они используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях и др.

Высокочастотные диоды. Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, работающих с сигналами низкой частоты. Любой полупроводниковый диод может быть представлен физической эквивалентной схемой (рис. 2.3). Здесь Сп и Rп – емкость и сопротивление p-n-перехода в рабочей точке; r – сопротивление, определяемое в основном сопротивлением базы диода; Lв – индуктивность выводов, которую приходится учитывать на высоких рабочих частотах. Анализ схемы показывает, что для расширения частотного диапазона полупроводникового диода следует уменьшать емкость перехода, а следовательно, и его площадь, сопротивление r и индуктивность выводов.

Rп

Lв r

Cп

Рис. 2.3. Эквивалентная схема диода

Диоды Шотки (см. рис. 2.1, г). В диодах этого типа используют контакт Шотки. Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. Накопление заряда в базе диода не происходит, и поэтому время переключения диода может быть существенно уменьшено. Другой важной особенностью диодов Шотки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного p-n-перехода при тех же токах. Это связано с тем, что тепловой ток I0 у перехода с барьером Шотки примерно на три порядка превышает ток p-n-перехода. Причиной этого является движение электронов в металл из полупроводника с тепловой скоростью, существенно превышающей диф-

18

фузионную. Диоды Шотки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах.

Контрольные вопросы

1.Какие режимы работы полупроводникового диода существуют?

Вчем их различие?

2.Что такое ВАХ полупроводникового диода?

3.Охарактеризуйте виды электрического пробоя p-n-перехода.

4.В чем отличие диффузионной емкости от барьерной?

5.Что такое обратный ток насыщения и температурный коэффициент?

6.Какие параметры полупроводниковых диодов приводят в справочной литературе?

7.Какие типы диодов Вам известны? В чем заключаются особенности их функционирования?

8.Нарисуйте условные обозначения полупроводниковых диодов.

ГЛАВА 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор, представляющий совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n-переходов и имеющий три вывода. Переходы взаимодействуют, так как они расположены достаточно близко друг от друга – на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей. Транзисторы получили название биполярных, так как их работа обеспечивается носителями зарядов двух типов: основными и неосновными (электронами и дырками). Схематическое устройство и условные графические обозначения показаны на рис. 3.1. Среднюю область БТ называют базой Б, а крайние области

19

эмиттером Э и коллектором К. Области эмиттера, базы и коллектора снабжены выводами, с помощью которых транзистор включается в электрическую цепь.

КБ Э

Рис. 3.1. Упрощенная структура БТ (а) и его условные обозначения с указанием направления токов при его работе в нормальном активном режиме (б)

Транзисторы, эмиттер и коллектор которых имеют проводимость n-типа, а база – проводимость p-типа, называются n-p-n-транзисторами. Если эмиттер и коллектор имеют проводимость р-типа, а база – n-типа, то транзистор с такой структурой называется p-n-p-транзистором. У реальных транзисторов площади обоих p-n-переходов существенно различаются. Переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным перехо- дом (ЭП), а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным (КП). Обычно у транзистора площадь КП больше площади ЭП, что позволяет на коллекторе собирать большую часть носителей, инжектированных в базу. В БТ концентрация примесей в эмиттере на несколько порядков выше концентрации примесей в базе, что позволяет обеспечить инжекцию основных носителей. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузное. Если же база неоднородная, то в ней присутствует электрическое поле и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной – дрейфовыми. Последние наиболее распространены в интегральных схемах.

20