Основы электроники и микроэлектроники

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Введение

Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и принципах создания электронных приборов.

Микроэлектроника – это раздел электроники, изучающий приборы с размерами элементов порядка нескольких микрометров.

Энергетическая диаграмма вещества

       Электроны в веществах расположены на определённых уровнях энергии (чем дальше от ядра, тем больше внутренняя энергия электрона W). Уровни группируются в зоны. Их можно изобразить на энергетической диаграмме:

       Зона проводимости – зона, где находятся электроны способные создавать ток.

       Запрещённая зона – зона, в которой электроны находиться не могут.

       Валентная зона – зона электронов, способных участвовать в связях между атомами.

 

Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков

       У проводников (медь, алюминий, железо, серебро, золото и др.) нет запрещённой зоны. Электроны в них легко переходят из валентной зоны в зону проводимости. Из-за этого все валентные электроны металлов отделены от их атомов. Поэтому проводники хорошо проводят электрический ток.

       В полупроводниках (кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др.) есть запрещённая зона. Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, к электрону необходимо приложить энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны DW. Эту энергию можно подать в виде тепла, света или излучения. Поэтому ток в полупроводниках сильно зависит от этих трёх факторов.

       В диэлектриках (воздух, стекло, керамика, бумага и др.) запрещённая зона велика. Электроны почти не отрываются от атомов. Поэтому диэлектрики плохо проводят ток.

           

 

Полупроводники

 

По наличию примесей полупроводники делят на:

       - собственные (i-типа) – почти не содержат примесей;

       - примесные – делят на:

                   - донорные (электронные, n -типа) – содержат примеси с валентностью 5;

                   - акцепторные (дырочные, p-типа) – содержат примеси с валентностью 3.

       Примеры донорных примесей: фосфор, мышьяк, сурьма.

       Примеры акцепторных примесей: бор, индий, галлий.

       Даже незначительная концентрация примесей сильно влияет на проводимость полупроводников. Поэтому примесные полупроводники проводят ток лучше, чем собственные.

Собственные полупроводники

       По своей структуре кремний и германий представляют из себя кристаллическую решётку. Каждый атом кремния (Si) связан с четырьмя другими за счёт ковалентных связей:

Ковалентная связь – это связь двух атомов за счёт двух электронов.

Чем выше температура, тем сильнее колеблются атомы. Из-за этих колебаний валентный электрон может отделиться от атома, становясь тепловым электроном проводимости n_i. На его месте образуется тепловая дырка p_i.

       Дырка – это положительно заряженная незаполненная ковалентная связь.

       Генерация – процесс разрыва ковалентной связи, в результате которого образуются тепловые электрон n_i и дырка p_i.

       На место дырки может притянуться валентный электрон из соседней ковалентной связи. Таким образом, дырка, как и электрон, может перемещаться по кристаллу.

       Рекомбинация – процесс восстановления ковалентной связи, в результате которого тепловые электрон и дырка соединяются.

       В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок равны.

 

Примесные полупроводники

Донорные полупроводники

 

       Пример донорного полупроводника – кремний (Si) с примесью фосфора (P):

       Фосфор пятивалентен. Четыре его валентных электрона соединены с атомами кремния ковалентными связями, а пятый – легко отделяется от атома. Он называется примесным донорным электроном N_д. На его месте дырки не образуется, так как этот электрон не участвует в ковалентных связях.

       Кроме того, в примесных полупроводниках, как и в собственных, происходят генерация и рекомбинация и образуются тепловые электроны и дырки n_i и p_i, но их значительно меньше, чем примесных электронов.

       Основными носителями зарядов в донорных полупроводниках являются электроны, а неосновными – дырки.

           

Акцепторные полупроводники

 

       Пример акцепторного полупроводника – кремний (Si) с примесью бора (B):

       Бор трёхвалентен. Три его валентных электрона соединены с атомами кремния ковалентными связями, а на месте 4-й ковалентной связи образуется примесная акцепторная дырка N_а, на место которой может перейти электрон из соседней ковалентной связи.

       Как и во всех остальных полупроводниках, в акцепторных также образуются тепловые электроны и дырки n_i и p_i, но их концентрация меньше, чем примесных.

       Основными носителями зарядов в акцепторных полупроводниках являются дырки, а неосновными – электроны.

Токи в полупроводниках

 

       Дрейфовый ток I_др возникает под действием электрического поля. Электроны смещаются к положительному потенциалу электрического поля, а дырки – к отрицательному.

Чем больше напряжённость электрического поля, тем больше дрейфовый ток:

Диффузионный ток I_диф возникает из-за разности концентраций электронов и дырок между двумя точками. Электроны и дырки притягиваются друг к другу, что вызывает ток.

       Чем больше разность концентраций между двумя точками и чем меньше расстояние между ними, тем больше диффузионный ток:

Электрические переходы

Пробои в p - n переходе

       Пробой в p-n переходе – это явление, когда при незначительном увеличении напряжения, ток увеличивается скачкообразно.

Тип пробоя	Направление включения p-n перехода	Причины	Механизм возникновения	Рисунок	Обратимость
Лавинный	Обратное	Большое обратное напряжение	Число электронов в p-n переходе становится настолько большим, что одни электроны начинают выбивать другие, те – третьи. Ток растёт лавинообразно.		Обратим (если U ↓, то I ↓, если U ↑ - перейдёт в тепловой)
Тепловой	Прямое или обратное	1) Большое напряжение 2) Высокая температура	Число электронов в p-n переходе становится настолько большим, что кристаллическая решётка полупроводника нагревается и разрушается.		Необратим (если U ↓, то I не изменится, так как разрушена кристаллическая решётка)
Туннельный	Обратное (в вырожденных полупроводниках – прямое и обратное)	1) Сильное внутреннее электрическое поле 2) Узкая ОПЗ	Из-за сильного электрического поля электроны перемещаются через узкую ОПЗ без изменения своей энергии.		Обратим (если U ↓, то I ↓)

Переходы Шоттки

 

       Переход Шоттки – это контакт на границе между полупроводником и металлом.

       Различают выпрямляющие и невыпрямляющие переходы Шоттки. Выпрямляющие контакты проводят ток только в одном направлении, невыпрямляющие – в обоих.

       Тип контакта зависит от работы выхода электронов и металла A_м и работы выхода электронов из полупроводника: акцепторного A_p или донорного A_n.

 

Переход Шоттки с акцепторным полупроводником

           

       В металле (М) нет дырок и очень высокая концентрация электронов. В акцепторном полупроводнике (P) основные носители заряда – дырки, неосновные – электроны.

При A_м < A_p для выхода электронов из металла необходимо затратить меньшую работу, чем для их выхода из акцепторного полупроводника. Электроны покидают металл, попадают в p-область, рекомбинируют с дырками, создаётся ОПЗ. Из-за ушедших электронов металл заряжается положительно, а полупроводник – отрицательно.

       Контакт получается выпрямляющим. Чтобы его открыть, необходимо на p-область подать "+", а на металл – "-".

       При A_м > A_p электроны металл не покидают, ОПЗ не возникает. Контакт получается невыпрямляющим.

 

Переход Шоттки с донорным полупроводником

           

       В металле (М) нет дырок и очень высокая концентрация электронов. В донорном полупроводнике (N) основные носители заряда – электроны, неосновные – дырки.

При A_n < A_м для выхода электронов из полупроводника необходимо затратить меньшую работу, чем из металла. Электроны переходят из полупроводника в металл. На их месте остаются дырки, с которыми рекомбинируют оставшиеся электроны. Создаётся ОПЗ. Из-за ухода электронов металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно.

       Контакт получается выпрямляющим. Чтобы его открыть, необходимо на n-область подать "-", а на металл – "+".

       При A_n > A_м электроны покидают металл, но дырок не образуется (так как в металлах нет кристаллической решётки). ОПЗ не возникает. Контакт получается невыпрямляющим.

       Невыпрямляющие контакты должны быть при контакте вывода с полупроводником.

       Выпрямляющие контакты применяют в диодах Шоттки. Они имеют большое быстродействие, так как в них нет движения дырок, которые менее подвижны, чем электроны.

Полупроводниковые резисторы

Варисторы

 

Варистор – это резистор, сопротивление которого зависит от приложенного внешнего напряжения.

Условное графическое обозначение (УГО) варистора на электрических схемах:

Варисторы изготавливают из карбида кремния или оксида цинка и керамического связующего материала (глина, жидкое стекло, различные лаки и смолы).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора:

При низких напряжениях сопротивление варистора мало, поэтому его ВАХ нелинейна. При высоких – сопротивление увеличивается и ВАХ становится линейной.

Основные параметры варистора:

- Iном – номинальный ток;

- Uном – номинальное напряжение;

- Pmax – максимально-допустимая рассеиваемая мощность, равная произведению напряжения и тока, протекающего через терморезистор;

- rдиф – дифференциальное сопротивление.

Дифференциальное сопротивление – это сопротивление какого-либо участка вольт-амперной характеристики: rдиф = DU / DI

Варисторы используются для защиты элементов от перенапряжения и контактов реле от разрушения, а также в маломощных стабилизаторах напряжения.

Терморезисторы

 

Терморезистор – это резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Различают термисторы и позисторы.

Термистор – это терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При повышении температуры его сопротивление падает.

Позистор – это терморезистор с положительным ТКС. При повышении температуры его сопротивление растёт.

Условные графические обозначения (УГО) терморезисторов:

Термисторы изготавливают из полупроводников или оксидов некоторых металлов, у которых проводимость растёт с ростом температуры.

Позисторы изготавливают из титаната бария с примесями, который в определённом диапазоне температур на несколько порядков увеличивает своё сопротивление.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) термистора:

Участок 1 – Напряжение термистора мало. Он имеет низкую температуру, поэтому его сопротивление велико, а ток – мал.

Участок 2 – Термистор разогревается. Его сопротивление падает. Ток растёт. Напряжение схемы перераспределяется по элементам, поэтому на термисторе оно падает.

Основные параметры терморезистора:

- Rт – номинальное сопротивление при 20°C;

- ТКС – температурный коэффициент сопротивления;

- Tmax – максимальная температура нагрева;

- Pmax – максимально-допустимая рассеиваемая мощность

Терморезисторы используются в качестве датчиков температуры и для температурной стабилизации схем.

 

Фоторезисторы

 

Фоторезистор – это резистор, сопротивление которого меняется под воздействием видимого, инфракрасного или ультрафиолетового излучения.

Условное графическое обозначение (УГО) фоторезистора:

Конструкция фоторезистора:

Фоточувствительная плёнка или пластинка изготавливается из сульфида кадмия, селенида кадмия или сульфида свинца.

Без освещения по фоторезистору течёт лишь малый темновой ток. Если осветить фоторезистор, то в результате фотоэффекта валентным электронам в фоточувствительной плёнке будет сообщена энергия и они перейдут из валентной зоны в зону проводимости. Через плёнку потечёт большой световой ток.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоторезистора:

Чем больше световой поток Ф и напряжение U, тем больше ток I фоторезистора.

Основные параметры фоторезистора:

- Iт – темновой ток;

- Rт – темновое сопротивление;

- Iсв – световой ток – ток при рабочем напряжении и освещённости 200 люкс (лк);

- Iф – фототок = Iсв – Iт.

Фоторезисторы используются как датчики освещённости.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный прибор, имеющий один p-n переход и два вывода – анод (А) и катод (К).

       Условное графическое обозначение (УГО) и внутренняя структура диода:

       Классификация диодов:

1) По назначению: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, обращённые диоды, сверхвысокочастотные (СВЧ), светодиоды, фотодиоды, оптопары и др.

2) По конструкции:

       - точечные – в них площадь p-n перехода намного меньше толщины ОПЗ (имеют малую ёмкость, работают на высоких и сверхвысоких частотах, являются маломощными);

       - плоскостные – в них площадь p-n перехода намного больше толщины ОПЗ (работают на низких частотах, имеют среднюю и большую мощность).

3) По технологии изготовления:

       - сплавные – изготавливают сплавлением полупроводников (имеют резкий p-n переход, работают на низких частотах);

       - диффузионные – изготавливают легированием (внедрением) атомов примеси одного типа в полупроводник другого типа (имеют плавный p-n переход);

       - эпитаксиальные – изготавливают эпитаксиальным наращиванием одного типа полупроводника на другой (имеют резкий p-n переход).

Выпрямительный диод

 

Принцип работы выпрямительного диода основан на односторонней проводимости p-n перехода.

Подвидом выпрямительных диодов являются импульсные диоды (к ним в том числе относятся диоды Шоттки), которые выпрямляют импульсные сигналы.

Условные графические обозначения (УГО) выпрямительного диода и диода Шоттки:

       Рабочий участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) выпрямительного диода:

       Основные параметры выпрямительных диодов:

       - U_пр – номинальное прямое напряжение;

       - I_обр – номинальный обратный ток;

       - r_диф = DU / DI – дифференциальное сопротивление.

       Предельно-допустимые параметры:

       - I_прmax – максимальный допустимый прямой ток;

       - U_обрmax – максимальное допустимое обратное напряжение;

       - P_max – максимальная допустимая мощность рассеивания.

       Выпрямительные диоды пропускают ток только в прямом направлении. Они используются в однополупериодных и двухполупериодных выпрямителях.

 

 

       Однополупериодный выпрямитель – это узел, предназначенный для преобразования переменного напряжения в постоянное. Его схема:

- Uвх – источник входного переменного напряжения;

- T – трансформатор, преобразует переменное напряжение в напряжение меньшего уровня, на которое рассчитан диод;

- VD – выпрямительный диод, пропускает только положительную половину входного напряжения, преобразуя переменное напряжение в пульсирующее;

- C – конденсатор, сглаживает пульсации напряжения;

- Rн – резистор нагрузки, с него снимается выходное напряжение Uвых.

Временные характеристики однополупериодного выпрямителя:

Принцип работы схемы без конденсатора:

При положительной полуволне диод открыт. Его сопротивление и напряжение малы. Из-за этого большая часть напряжения со вторичной обмотки трансформатора прикладывается к резистору нагрузки. Выходное напряжение повторяет по форме входное.

При отрицательной полуволне диод закрыт. Его сопротивление и напряжение велики. Поэтому большая часть напряжения вторичной обмотки трансформатора прикладывается к диоду. Выходное напряжение близко к нулю.

Таким образом, на выходе получается пульсирующее напряжение. При включении конденсатора, он заряжается и разряжается, сглаживая пульсации.

 

 

Стабилитрон

       Принцип работы стабилитрона основан на лавинном пробое p-n перехода. Его УГО:

       Подвидом стабилитрона является стабистор. Стабилитрон работает в обратном включении на участке лавинного пробоя, а стабистор – в прямом включении.

       ВАХ стабилитрона:

       Основные параметры стабилитрона:

       - U_ст – напряжение стабилизации – обратное напряжение лавинного пробоя;

       - I_стmin – минимальный ток стабилизации – минимальный обратный ток, при котором наступает устойчивый лавинный пробой;

       - I_стmax – максимальный ток стабилизации – максимальный допустимый обратный ток, при котором не возникает опасности теплового пробоя.

       - r_диф = DU_ст / (I_стmax – I_стmin) – дифференциальное сопротивление.

       Стабилитрон предназначен для удерживания напряжения на одном уровне и используется в стабилизаторах напряжения. Схема и временные характеристики параметрического стабилизатора напряжения:

       Принцип работы стабилизатора напряжения: Если входное напряжение Uвх незначительно повышается, то увеличиваются и токи в резисторе R₀ и стабилитроне VD. Из-за этого напряжение резистора R1 повышается, но на стабилитроне VD, из-за лавинного пробоя, напряжение не меняется. Нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону, поэтому напряжение на ней тоже не меняется. Таким образом, при незначительных колебаниях входного напряжения, выходное напряжение почти не колеблется.

 

Варикап

Принцип работы варикапа основан на барьерной ёмкости p-n перехода. Его УГО:

       Варикап обычно работает в обратном включении. Его вольт-фарадная характеристика:

       Основные параметры варикапа:

       - C_ном – номинальная ёмкость;

       - C_max – максимальная ёмкость;

       - C_min – минимальная ёмкость;

       - K_c = C_max / C_min – диапазон перекрытия емкостей.

       Варикап используется в качестве элемента, ёмкость которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используется в колебательных контурах с регулируемой ёмкостью. Схема колебательного контура с регулируемой ёмкостью:

 

       Катушка с индуктивностью L, конденсатор с ёмкостью C и варикап VD с ёмкостью C_VD образуют колебательный контур, который не пропускает со входа U_вх колебания резонансной частоты f_рез:

       Меняя напряжение источника питания U_пит или переменного резистора R2, можно регулировать ёмкость варикапа VD и, следовательно, резонансную частоту.

 

 

Туннельный диод

Принцип работы туннельного диода основан на туннельном пробое. Его УГО:

       Туннельные диоды изготавливают из вырожденных полупроводников, у которых туннельный провой возникает в обоих включениях. ВАХ туннельного диода:

       Основные параметры туннельного диода:

       - I_п – ток пика;

       - I_вп – ток впадины;

       - U_п – напряжение пика;

       - U_вп – напряжение впадины;

       - r_диф = (U_вп – U_п) / (I_вп – I_п) – дифференциальное сопротивление (отрицательное);

       - C_д – ёмкость диода.

       Принцип работы туннельного диода: В обратном включении из-за туннельного эффекта возникает туннельный пробой, поэтому ток велик. В прямом включении на участке между нулевым значением напряжения и пиком также возникает туннельный пробой. Между пиком и впадиной туннельный эффект уменьшается, поэтому ток падает. После впадины ОПЗ полностью исчезает, поэтому ток вновь становится велик.

       В схемах туннельный диод обычно работает в прямом включении на участке отрицательного дифференциального сопротивления (от пика до впадины). Туннельный диод используется в некоторых высокочастотных усилителях, а также для восполнения потерь энергии в колебательных контурах:

Обращённый диод

Принцип работы обращённого диода основан на туннельном пробое. Его УГО:

       Обращённые диоды изготавливают из полупроводников с высокой концентрацией примесей, но меньше, чем в вырожденных полупроводниках.

       ВАХ обращённого диода:

       Принцип работы обращённого диода: В обратном включении из-за туннельного эффекта возникает туннельный пробой, поэтому ток велик. В прямом включении туннельный эффект не возникает, но внутреннее электрическое поле очень велико. Поэтому ток через диод мал. Когда ОПЗ исчезает, ток резко увеличивается.

Обращённый диод используется на высоких и сверхвысоких частотах. При этом может использоваться как их односторонняя проводимость, так и нелинейность ВАХ.

 

Сверхвысокочастотные диоды

 

Сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды) работают на сверхвысоких частотах (больше 1 ГГц). К ним относятся:

- детекторные – используются для детектирования сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ-сигналов) – преобразования их в сигналы более низкой частоты;

- смесительные – преобразуют СВЧ-сигналы в сигналы промежуточной частоты;

- параметрические – работают в параметрических СВЧ-усилителях;

- умножительные – используются в СВЧ-умножителях, увеличивающих уровень сигнала в несколько раз;

- переключательные (pin-диоды) – коммутируют СВЧ-сигналы;

- генераторные – генерируют сигналы СВЧ-частоты.

 

Светодиод

 

Светодиод – это диод, который излучает свет при прохождении по нему тока в прямом направлении. Его УГО:

Конструкция светодиода:

При прямом включении в диодах возникает диффузия. Электроны и дырки диффундируют в противоположную область и рекомбинируют друг с другом.

При рекомбинации электрон перемещается из зоны проводимости в валентную зону. При этом его внутренняя энергия W уменьшается, а разница энергий выделяется в виде тепла и/или излучения (например, света).

Светодиоды изготавливают из арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния. Цвет свечения зависит из примесей. Например, оксид цинка даёт красный цвет; азот – зелёный; а оксид цинка и азот – жёлтый или оранжевый.

Основные параметры светодиода:

- цвет свечения;

- яркость свечения;

- Iпр – прямой ток;

- Uпр – прямое напряжение.

Светодиоджы используются в качестве элементов индикации.

 

 

Фотодиод

 

Фотодиод – это диод, который преобразует свет в электрический ток. Его УГО:

Конструкция фотодиода:

Фотодиод включается в обратном включении. При отсутствии света, через него течёт лишь малый темновой ток. При подаче на p-область светового потока Ф – валентным электронам в p-n переходе сообщается энергия и они переходят из валентной зоны в зону проводимости, что значительно повышает ток:

ВАХ фотодиода:

Чем больше световой поток Ф, тем больше обратный ток фотодиода.

Основные параметры фотодиода:

- Uобр – номинальное обратное напряжение;

- Uобрmax – максимально-допустимое обратное напряжение;

- Iт – темновой ток;

- Iф – фототок.

Фотодиоды используются как датчики света. Они имеют примерно в 100 раз большее быстродействие, чем фоторезисторы.

 

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

 

Биполярные транзисторы бывают двух типов: n - p - n и p - n - p. У n-p-n транзисторов выше быстродействие, так как основные носители заряда в них – электроны. Их внутренние строения и УГО:

Биполярные транзисторы имеют следующие выводы:

- Э – эмиттер – обладает наибольшей концентрацией примесей;

- Б – база – самый узкий слой;

- К – коллектор – имеет больше площадь p-n перехода, чем эмиттер.

       Между эмиттером и базой находится эмиттерный p-n переход, а между коллектором и базой – коллекторный.

 

Схема с общей базой

 

Транзистор в активном режиме в схеме с общей базой и его ВАХ:

- I_Э – ток эмиттера – входной ток;

- I_К – ток коллектора – выходной ток;

- U_ЭБ – напряжение «эмиттер – база» – входное напряжение;

- U_КБ – напряжение «коллектор – база» – выходное напряжение.

Для того, чтобы транзистор мог усиливать сигнал, к нему нужно подключить: источник сигнала Uвх, коллекторную нагрузку Rк и источник питания Eк. Схема транзистора с общей базой с нагрузкой и её временные характеристики:

Свойства схемы с общей базой:

1) Выходное сопротивление Rвых больше входного Rвх (так как на выходе – закрытый коллекторный переход, а на входе – открытый эмиттерный).

2) Схема хорошо усиливает сигнал по напряжению U (так как Rвых > Rвх).

3) Схема не усиливает сигнал по току I (так в активном режиме Iэ = Iк + Iб, поэтому выходной коллекторный ток не может превышать входной эмиттерный).

4) Схема хорошо усиливает сигнал по мощности P (так как P = U ⋅ I, усиление по напряжению U – большое, а по току I – чуть меньше 1).

5) Схема почти не искажает форму входного сигнала (благодаря линейности ВАХ).

6) Температура слабо влияет на свойства схемы.

7) Схема одинаково хорошо усиливает сигналы разных частот.

8) Схема не меняет фазу входного сигнала.

 

Схема с общим эмиттером

 

Транзистор в активном режиме в схеме с общим эмиттером и его ВАХ:

- I_Б – ток базы – входной ток;

- I_К – ток коллектора – выходной ток;

- U_БЭ – напряжение «база – эмиттер» – входное напряжение;

- U_КЭ – напряжение «коллектор – эмиттер» – выходное напряжение.

Схема с общим эмиттером с нагрузкой и её временные характеристики:

Свойства схемы с общим эмиттером:

1) Выходное сопротивление Rвых больше входного Rвх (на выходе – закрытый коллекторный переход + открытый эмиттерный, а на входе – открытый эмиттерный).

2) Схема хорошо усиливает сигнал по напряжению U (так как Rвых > Rвх).

3) Схема хорошо усиливает сигнал по току I (так как ток Iк значительно больше Iб).

4) Схема хорошо усиливает сигнал по мощности P (так как P = U ⋅ I, а усиления по напряжению U и току I – большие).

5) Схема искажает форму входного сигнала на участках нелинейности ВАХ.

6) Температура сильнее влияет на свойства схемы, чем в схеме с общей базой.

7) Частотные свойства хуже, чем в схеме с общей базой.

8) Схема меняет фазу входного сигнала на 180° (так как токи Iк и Iб противонаправлены). Поэтому на временной характеристике Uвх и Uвых не совпадают по фазе.

 

Схема с общим коллектором

 

Транзистор в активном режиме в схеме с общим коллектором и его ВАХ:

 

- I_Б – ток базы – входной ток;

- I_Э – ток эмиттера – выходной ток;

- U_КБ – напряжение «коллектор – база» – входное напряжение;

- U_КЭ – напряжение «коллектор – эмиттер» – выходное напряжение.

Схема с общим коллектором с нагрузкой и её временные характеристики:

Резистор Rк должен подключаться к коллектору, поэтому выход параллелен ему.

Свойства схемы с общим коллектором:

1) Выходное сопротивление Rвых меньше входного Rвх (на выходе – Rк, а на входе – Rк + закрытый коллекторный переход).

2) Схема не усиливает сигнал по напряжению U (так как Rвых < Rвх).

3) Схема хорошо усиливает сигнал по току I, так как ток Iэ значительно больше Iб.

4) Схема хорошо усиливает сигнал по мощности P (так как P = U ⋅ I, усиление по напряжению U – чуть меньше 1, а по току I – большое).

5) Схема искажает форму входного сигнала на участках нелинейности ВАХ.

6) Температура сильнее влияет на свойства схемы, чем в схеме с общей базой.

7) Частотные свойства хуже, чем в схеме с общей базой.

8) Схема не меняет фазу входного сигнала.

 

Полевые транзисторы

Однопереходный транзистор

Если Uэ < Uсм, то p-n переход закрыт и его ток Iэ мал. Но как только Uэ превысит Uсм, p-n переход резко откроется, ток Iэ возрастёт, напряжения Uэ и Uсм упадут. Поэтому на ВАХ транзистора есть участок отрицательного дифференциального сопротивления.

 

Тиристоры

Тиристоры – это силовые полупроводниковые приборы, содержащие три и более последовательно включённых p-n перехода.

 

Динистор

 

Динистор (диодный тиристор) – это тиристор двумя выводами. Его УГО и внутреннее строение:

Между эмиттерами и базами находятся эмиттерные переходы, а между базами – коллекторный.

Схема включения динистора в прямом включении, направления движения электронов и дырок в прямом включении и ВАХ:

Участок 1 на ВАХ – обратное включение. Эмиттерные переходы динистора закрыты, а базовый – открыт. Общее сопротивление динистора велико. Ток крайне мал;

Участок 2 – прямое включение, выключенное состояние. Эмиттерные переходы – открыты, а коллекторный – закрыт. Сопротивление велико. Ток мал. Электроны и дырки переходят из эмиттеров в соседние базы за счёт диффузии, а затем попадают в противоположные базы за счёт внутреннего электрического поля и накапливаются в них;

Участок 3 – пробой коллекторного перехода. При достижении напряжения включения Uвкл, электронов в базах становится достаточно для пробоя. Ток резко растёт, сопротивление динистора падает. Напряжение на нагрузке Rн увеличивается, а в динисторе уменьшается. Резистор Rн предотвращает тепловой пробой, выводящий динистор из строя.

Участок 4 – включённое состояние. Ток прямо пропорционален напряжению. При уменьшении тока до Iуд – тока удержания – динистор вернётся к выключенному состоянию.

 

 

Тринистор

 

Тринистор (триодный тиристор) – это тиристор с тремя выводами. Различают тринисторы с управлением по аноду и с управлением по катоду. Их УГО, внутренние строения, схемы включения и ВАХ:

 

Третий вывод – управляющий электрод (УЭ). Через него протекает управляющий ток Iу, от которого зависит напряжение включения тринистора.

 

Симистор

 

Симистор (симметричный тиристор) – это тиристор с пятью областями. УГО, внутреннее строение и ВАХ триодного симистора (симметричного тринистора):

ВАХ симистора симметрична. Поэтому он одинаково работает в обоих включениях.

Тиристоры используются в устройствах, где необходимо управлять большими токами за счёт малых.

 

Электронные усилители

Усилитель – это устройство преобразующее энергию источника питания в электрические колебаний различной частоты, увеличивая входной сигнал в несколько раз.

Классификация усилителей

1) По активным элементам:

· Ламповые

· Транзисторные

· Диодные

· На интегральных микросхемах

     2) По полосе частот:

· низкочастотные (НЧ)

· высокочастотные (ВЧ)

· сверхвысокочастотные (СВЧ)

· промежуточной частоты (ПЧ)

· резонансные (усиливают одну частоту и близкие к ней)

3) По типу усиливаемых сигналов:

· Аналоговые

· Цифровые

 

Структурная схема усилителя

Активный элемент – это транзистор, диод, лампа или ИМС

Нагрузка бывает:

- апериодической (резистор) – пропускает широкий диапазон частот;

- резонансной (колебательный контур) – пропускает узкий диапазон частот.

 

Обратная связь в усилителях