Тема 1.2. Полупроводниковые диоды

       Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, который служит для преобразования переменных величин в величины одной полярности (выпрямления).

       Диоды могут быть точечными и плоскостными. Точечный диод представляет собой кристалл полупроводника n - типа площадью порядка 1 мм², к которому прижимается металлическая игла с акцепторной примесью на конце. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом часть акцепторной примеси внедряется в кристалл и образуется микроскопическая область p - типа. При этом образуется p-n переход, имеющий малую площадь и, вследствие этого, малую емкость. Точечные диоды применяются для выпрямления сигналов малой мощности и высокой частоты.

       Плоскостной диод состоит из пластины полупроводника n – типа, на которой расположена таблетка акцепторной примеси. В процессе изготовления происходит нагрев до температуры около 500° C, при которой акцепторная примесь плавится и происходит ее диффузия в пластину. При этом образуется p-n переход значительной площади и емкости. Плоскостные диоды используются для выпрямления сигналов большой мощности и низкой частоты.

       Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики p-n перехода. Вольт-амперная характеристика существенно зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. Обратный ток также возрастает с увеличением температуры. При этом может произойти тепловой пробой p-n перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70° C, а кремниевых – при 200° C. Высокая термическая устойчивость кремния является его важнейшим преимуществом перед другими полупроводниковыми материалами.

Одной из важных характеристик полупроводникового диода является пробивное обратное напряжение.

       Обозначение полупроводникового диода состоит из пяти элементов. Первый элемент – это буква, указывающая на исходный материал (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия). Второй элемент – буква, указывающая на тип прибора (Д – диод). Третий элемент – число, указывающее назначение прибора (1 – диод малой мощности, 2 – диод средней мощности, 3 – диод большой мощности). Четвертый элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки прибора (от 1 д 99). Пятый элемент – буква, обозначающая деление технологического цикла на группы (от А до Я).

       Например: КД210Б – кремниевый диод средней мощности, номер разработки 10, группа Б.

       Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды средней и малой мощности применяются в схемах питания радиоаппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых двигателей, привода механизмов и т.д. Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении.

Диоды, предназначенные для работы в условиях высокой и сверхвысокой частоты, называются высокочастотными. Они используются в устройствах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных диодов обычно применяются точечные диоды.

       Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называются варикапами.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Стабилитрон работает при обратном напряжении в режиме электрического пробоя. При этом обратный ток диода может изменяться, а напряжение при этом остается постоянным.

       Условные обозначения различных типов диодов показаны на рис.2.1.3.

Тема 1.3. Тиристоры

Эти приборы появились уже после изобретения транзистора и быстро нашли свое место в электронной силовой технике. Тиристорные регуляторы применяются для преобразования электрической энергии, для управления мощными электродвигателями, нагревателями и другими нагрузками в автоматических системах. Они позволяют коммутировать большие токи при минимальной мощности управления, и наиболее устойчивы к перегрузкам.

       Динистор – двухэлектродный прибор, имеющий три р-п перехода.

N

Р

Р

N

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

UВКЛ

IУД.

 

 

       В обычном состоянии динистор ведет себя как диод, включенный в обратном направлении, т.е. он не проводит ток, причем не проводит в обе стороны. Однако это имеет место до определенного предела. Если в схеме повышать напряжение до напряжения включения, динистор отроется и его сопротивление скачком станет маленьким. При открывании через динистор потечет ток, и напряжение на нем (в открытом состоянии) установится на уровне 1,4 В. Чтобы закрыть динистор, требуется снизить ток до уровня тока удержания. Обратное включение динистора не имеет смысла, т.к. в этом положении его свойства не проявляются.

       Практически динистор используется в схемах генераторов назкочастотных импульсов, в качестве порогового элемента, срабатывающего при определенном напряжении.

 

   

 

 

       Тринистор – прибор, имеющий три р-п перехода и три вывода (анод, катод и управляющий электрод).

N

Р

Р

N

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

UВКЛ

IУД.

UВКЛ2

UВКЛ1

 

       Если между катодом и управляющим электродом тринистора включить дополнительный источник питания, напряжение включения будет снижаться. При определенном напряжении на управляющем электроде тринистор откроется сразу, и вольт-амперная характеристика будет такой же, как у обычного диода.

       Симистор – симметричный тиристор, который может работать при обоих полярностях напряжения (пропускает ток в оба направлениях).

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

 

 

        

       Условные обозначения динистора и тринистора показаны на рис.

Тема 1.4. Транзисторы

       Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, три вывода, который может служить для усиления переменных сигналов. Биполярным транзистор называется потому, что в создании токов транзистора участвуют носители заряда двух полярностей (электроны и дырки).

       Для создания биполярного транзистора в пластину полупроводника n – типа вплавляют с двух сторон таблетки акцепторной примеси. При этом в объеме полупроводника возле акцепторной примеси образуются две области p – типа, разделенные тонким слоем полупроводника n – типа. Таким образом, в биполярном транзисторе сформированы два p-n перехода, один из которых называется эмиттерным, а другой - коллекторным. Соответственно области (и выводы) биполярного транзистора носят названия: эмиттер, коллектор, база. Толщина базовой области, разделяющей эмиттер и коллектор, должна очень малой (порядка единиц микрометра). Такой транзистор называется биполярным p - n - p транзистором. Основными носителями заряда в таком транзисторе являются дырки, а неосновными – электроны. Если в качестве базы использовать полупроводник p-типа, а эмиттер и коллектор выполнить при помощи диффузии донорной примеси, то получим биполярный n - p - n транзистор, основными носителями заряда в котором будут электроны, а неосновными – дырки. Обозначение биполярных транзисторов на схеме показано на рис.2.1.4,а.

       Если подать на p-n-p транзистор питание, как показано на рис.2.1.4,б, то можно утверждать, что эмиттерный p-n переход транзистора включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом концентрация дырок в эмиттерной области много больше концентрации электронов в базе. Прямое сопротивление эмиттерного перехода мало, поэтому ток, идущий из эмиттера в базу I_э, обусловленный движением основных носителей заряда, сравнительно велик. В базе незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами, убыль которых восполняется электронами, поступающими из внешней цепи и образующими ток базы I_б. В базе основная часть дырок продолжает движение к коллектору и под действием электрического поля (обратного для коллекторного перехода) проходит через границу в коллектор. Таким образом, возникает коллекторный ток I_к=I_э – I_б.

       Возможны три основные схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых имеет свои усилительные свойства.

       Схема включения транзистора с общей базой показана на рис.2.1.5,а. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой не усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Усиление напряжения в схеме с общей базой происходит за счет разности входного и выходного сопротивлений. Входным сопротивлением является малое сопротивление эмиттерного p-n перехода, включенного в прямом направлении, а выходным - большое сопротивление коллекторного p-n перехода, включенного в обратном направлении.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

Схема включения транзистора с общим эмиттером показана на рис.2.1.5,б. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_б, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Как видно из приведенного выше, схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером усиливает переменный сигнал по току, напряжению и мощности, то есть, обладает наилучшими усилительными свойствами.

Схема включения транзистора с общим коллектором показана на рис.2.1.5,в. Как видно, входным током в данной схеме является ток базы I_б, а выходным – ток эмиттера I_э. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общим коллектором усиливает ток.

       Входное напряжение подается между коллектором и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема не усиливает напряжение.

       Отсутствие усиления напряжения в схеме с общим коллектором происходит за счет того, что входное сопротивление данной схемы велико, а выходное - мало. Поэтому произведение входного тока на сопротивление примерно равно произведению выходного тока на сопротивление. 

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором называется также эмиттерным повторителем напряжения.

       Характеристики выражают зависимость между напряжениями и токами в цепях транзистора. На рис.2.1.6,а представлены входные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Они представляют собой зависимость входного тока (тока эмиттера) от напряжения на входе (между эмиттером и базой) при неизменном напряжении между коллектором и базой. Как видно из рисунка, при отсутствии напряжения на коллекторе характеристика представляет собой график, аналогичный прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода. При подаче отрицательного напряжения на коллектор характеристика смещается влево из-за незначительного увеличения эмиттерного тока вследствие влияния поля, созданного напряжением на коллекторе на эмиттерный переход.

       Выходные характеристики, показанные на рис.2.1.6,б, представляют собой зависимость выходного тока транзистора (тока коллектора) от выходного напряжения (между коллектором и базой) при неизменном токе эмиттера. Как видно из рисунка, напряжение между коллектором и базой слабо влияет на коллекторный ток, так как в основном он зависит от количества носителей заряда, впрыскиваемых из эмиттера в базу, то есть от тока эмиттера.

       Обозначение полупроводниковых транзисторов имеет пять элементов.. Первый элемент – это буква, указывающая на исходный материал (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия). Второй элемент – буква, указывающая на тип прибора (Т– транзистор). Третий элемент – число, указывающее назначение прибора (1 – транзистор малой мощности низкой частоты, 2 – транзистор малой мощности средней частоты, 3 – транзистор малой мощности высокой частоты, 4 – транзистор средней мощности низкой частоты, 5 – транзистор средней мощности средней частоты, 6 – транзистор средней мощности высокой частоты, 7 – транзистор большой мощности низкой частоты, 8 – транзистор большой мощности средней частоты, 9 – транзистор большой мощности высокой частоты). Четвертый элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки прибора (от 1 д 99). Пятый элемент – буква, обозначающая деление технологического цикла на группы (от А до Я).

       Например: КТ540А – кремниевый транзистор средней мощности, средней частоты, номер разработки 40, группа А.