Электроника учебное пособие

мируется канал, называется пороговым напряжением Uзи пор . Если при

Uзи > Uзи.пор подать отрицательное напряжение на сток, то в канале поя-

вится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение дырок от истока к стоку. При изменении напряжения Ucи будет меняться дрейфовая скорость движения дырок в канале, а следовательно, и ток Ic . Условные обозначения МДП-транзисторов с индуцированным каналом n- и p-типа показаны на рис. 4.5. Величина тока в цепи затвора очень мала,

так как сопротивление изоляции между

Uзи < 0, Ucи < 0.

Принцип работы, свойства и ВАХ МДП-транзистора с n-каналом примерно такие же, как и транзистора с p-каналом. Отличие состоит в том, что транзисторы с n-каналом оказываются более быстродействующими, так как подвижность электронов, переносящих ток, примерно в три раза выше, чем подвижность дырок. Кроме того, эти транзисторы имеют разные пороговые напряжения.

Контрольные вопросы

1.Какие основные типы полевых транзисторов вам известны?

2.Расскажите об устройстве полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

3.Нарисуйте условные обозначения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

4.В чем заключается принцип управления током в полевом транзи-

сторе?

5.Какие способы включения полевого транзистора вы знаете?

32

6.Почему у полевого транзистора наблюдается сужение канала в области стока?

7.Укажите на ВАХ полевого транзистора его основные режимы работы.

8.Перечислите основные типы МДП-транзисторов.

9.Каковы технологические особенности изготовления МДП-тран- зисторов.

10.Нарисуйте условные обозначения МДП-транзистора с индуцированным каналом.

11.Поясните процесс управления током в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

ГЛАВА 5. ТИРИСТОРЫ. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ: ФОТОРЕЗИСТОР. ФОТОДИОД

§ 5.1. ТИРИСТОРЫ

Тиристором называется прибор, состоящий из четырех слоев полупроводника с чередующейся проводимостью (p-n-p-n) и имеющий два (ди- нистор) или три вывода (тринистор) (рис. 5.1). Крайнюю p-область принято называть анодом (А), крайнюю n-область – катодом (К), а вывод средней p-области – управляющим электродом (УЭ).

Рис. 5.1. Тиристор: а – условное обозначение; б – структура

Эта структура может быть смоделирована комбинацией двух транзисторов VT1 (p-n-p) и VT2 (n-p-n), коллекторные переходы которых объеди-

33

35

чая точка находится в положении а. При увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения Iу1 , тиристор включится, и

его рабочая точка переместится в точку b. Для выключения необходимо (при Iу = 0) уменьшить напряжение питания до значения U < U2. При этом

рабочая точка из b1 перейдет в a2 и при восстановлении напряжения – в точку a.

Тиристоры принято характеризовать напряжением и током включения, максимально допустимым обратным напряжением, максимально допустимым током в открытом состоянии и др. Все параметры и ряд дополнительных данных об условиях эксплуатации тиристоров приводятся в соответствующих справочниках.

§ 5.2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение (фотоизлучатели и фотоприемники).

Фоточувствительные приборы предназначены для преобразования светового потока в электрический ток. Эти приборы делятся на три группы: фотоэлектрические, фотоэлектронные и тепловые. Классификационным признаком для данной классификации служат физические явления, на которых основана работа отдельных групп приборов. В фотоэлектрических приемниках оптического излучения используется внутренний фотоэффект, в фотоэлектронных – внешний фотоэффект, в тепловых приемниках полезным эффектом является изменение сопротивления прибора при его нагревании за счет поглощения принимаемого оптического сигнала.

Внешним фотоэффектом называется эмиссия электронов с поверхности твердого тела под действием светового потока (А. Г. Столетов, А. Эйнштейн).

Внутренним фотоэффектом называют процесс в твердом теле при облучении его световым потоком, который приводит к изменению электрических свойств освещаемого образца. При внутреннем фотоэффекте

36

изменяется энергетическое состояние носителей заряда, что ведет к изменению их концентрации, подвижности или перераспределению по объему. Внутренний фотоэффект проявляется только в полупроводниках и диэлектриках, в то время как внешний фотоэффект наблюдается и у металлов.

Фоторезистор. Приборы, у которых под действием света изменяется электрическое сопротивление, называются фоторезисторами. Фоторезисторы представляют собой пленки или пластины полупроводникового материала разнообразной формы, нанесенные на диэлектрическую подложку и имеющие два одинаковых омических контакта. Фоторезисторы являются неполярными приборами. Схематическое и условное изображения фоторезистора представлены на рис. 5.4.

Поток излучения

Полупроводник

Рис. 5.4. Изображение фоторезистора: а – схематическое; б – условное

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление) – внутренний фотоэффект.

Рассмотрим ряд характеристик фоторезисторов.

Вольт-амперные характеристики в темновом режиме (Ф = 0) и при освещении (Ф ¹ 0) линейны, т. е. для них выполняется закон Ома

(рис. 5.5, а).

Световые характеристики (люкс-амперные) показывают зависимость силы тока I через фоторезистор от освещения Eсв (рис. 5.5, б).

Спектральная характеристика чувствительности фоторезистора в основном определяется материалом, из которого он изготовлен, и технологией производства. Для спектральной характеристики указывают длины волн, на которых чувствительность максимальна и спадает до определенного уровня от своего максимального значения. Фоточувствительностью полупроводникового материала называется отношение приращения его проводимости к вызвавшему это приращение световому потоку.

37

Справочными параметрами фоторезисторов являются: величина темнового сопротивления; рекомендуемое напряжение питания и предельно допустимое напряжение; максимально допустимая мощность рассеяния и др.

Фотодиоды имеют структуру обычного p-n-перехода. Упрощенная структура фотодиода и его условное графическое обозначение представлены на рис. 5.6 и рис. 5.7 соответственно.

Поток излучения

p n

Область p-n-перехода

Основное физическое явление в фотодиоде - генерация пар электрон - дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения. Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон - дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения

38

Uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем Uак > 0, поскольку дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду. На практике фотодиод может быть использован в двух режимах: с внешним источником питания, создающим обратное смещение на p-n-переходе (фотодиодный режим), и без внешнего источника питания (вентильный режим).

Степень пригодности фотодиодов для использования в электронных схемах определяется рядом характеристик и параметров.

Вольт-амперной характеристикой фотодиода называется зависимость тока в цепи диода от приложенного напряжения. Ток, протекающий через диод при освещении прибора, называется фототоком IФ . Для построения полной ВАХ фотодиода при наличии внешнего прямого или обратного напряжения смещения на p-n-переходе можно воспользоваться выражением

I = IФ - I0 (eUϕT -1).

На рис. 5.8 показан ход ВАХ фотодиода при Ф = 0 и Ф ¹ 0. При Ф = 0 ВАХ фотодиода называется темновой и ничем не отличается от ВАХ обычного диода; при Ф ¹ 0 и увеличении прямого смещения ток через переход резко возрастает, вклад фототока в общий ток становится весьма мал и световая ВАХ фотодиода сливается с темновой. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (IV квадрант). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию (IU < 0). В этом режиме работают солнечные элементы.

Величина напряжения на зажимах фотодиода в режиме холостого

39

Контрольные вопросы

1.Расскажите об устройстве тиристора.

2.Поясните принцип работы тиристора на примере двухтранзисторной эквивалентной схемы.

3.Какова роль управляющего электрода в процессах включения и выключения тиристора?

4.Назовите основные характеристики тиристоров, которые приводятся в справочной литературе.

5.Какие приборы называются оптоэлектронными?

6.Каков принцип функционирования фоторезистора?

7.В чем отличие ВАХ резистивного сопротивления и фоторезистора?

8.Расскажите об устройстве фотодиода.

9.Каковы особенности ВАХ фотодиода в темновом и световом ре-

жимах?

10.Нарисуйте условные обозначения фоторезистора и фотодиода.

ГЛАВА 6. СИГНАЛЫ

§ 6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Сигнал представляет собой физическое явление или процесс, который несет информацию о каком-либо событии или состоянии объекта наблюдения. Количество информации, которое можно передать с помощью некоторого сигнала, зависит от основных его параметров: длительности, полосы частот, мощности и некоторых других характеристик.

Классификация сигналов:

1.Одномерные (сигнал, описываемый одной функцией времени, принято называть одномерным) и многомерные (образованные некоторым множеством одномерных сигналов);

2.Детерминированные и случайные сигналы.

Детерминированным называют любой сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероятностью единица. Пример, импульсы или пачки импульсов, для которых известны

40