Движение электронов в ускоряющем электрическом поле



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Движение электронов в ускоряющем электрическом поле



Движение электронов в ускоряющем электрическом поле

Движение электрона в тормозящем электрическом поле

Движение электрона в поперечном электрическом поле

Движение электрона в магнитных полях

Зонная энергетическая диаграмма

 


е = 1,6∙10-19 Кл m = 9,1∙10-31 кг


 

Const


 

1) Движение электронов в ускоряющем электрическом поле.Рассмотрим однородное электрическое поле с напряжённостью Е=U/d.

 

 

U

 

+

 

F

J 0

-

 

-

 

Рис. 1

 

На единичный положительный заряд, помещённый в электрическое поле, действует сила, рав- ная по величине напряжённости этого поля.

F = E – для единичного положительного заряда.

F = - e ∙ E – для электрона.

Знак «-» показывает, что сила действующая на электрон, направлена против линии напряжён- ности электрического поля. Под действием данной силы электрон будет двигаться равноуско- ренно и приобретёт максимальную скорость в конце пути. Поле, линии напряжённости кото-

рого направлены навстречу вектору начальной скорости электрона J0, называется ускоряю- щим электрическим полем. Определим максимальную скорость электрона. Работа по переме- щению электрона из одной точки поля в другую равна произведению заряда электрона на раз- ность потенциалов между этими точками.

A = e ∙ U

Данная работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.


 

=


еm×-0  ,


где J – конечная скорость электрона. Будем считать, что J0= 0

A = Wк,


e×U=m× ,


= 2 ×e×U ,

m

так как eи m- константы, то


 

»600


 

×U .


Из последней формулы видно, что скорость электрона в электрическом поле определяется только величиной напряжения между двумя точками поля, и поэтому скорость электрона ино- гда характеризуют этим напряжением.

Движение электрона в тормозящем электрическом поле.

 

U

F +

 

-

J0

 

 

-

 

 

Рис. 2

Под действием силы F электрон будет двигаться равнозамедленно, в какой-то точке поля он остановится и начнёт двигаться в обратном направлении. Электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают по направлению с вектором начальной скорости электро- на, называется тормозящим электрическим полем.

Движение электрона в поперечном электрическом поле.

Поперечным электрическим полем называется поле, линии напряжённости которого перпен-

дикулярны вектору начальной скорости электрона.

 

U

+ F

J0

-

 

-

 

 

Рис. 3

За счёт действия силы F возникает вертикальная составляющая скорости электрона, которая будет всё время увеличиваться. Начальная скорость J0 остаётся постоянной, в результате чего траектория движения электрона будет представлять собой параболу. При вылете электрона за пределы действия поля он будет двигаться по прямой.

Движение электрона в магнитных полях.

F = B∙e∙J0∙sinα – сила Лоренца. При α = 900 получим sinα = 1.

При α = 900 траектория будет представлять собой дугу окружности.


S

 

B

 

-

J0

Fл S

 

B

J 0

 

N

-

 

N

 


Рис. 4


Рис. 5


 

 

Когда α ≠ 900, вектор скорости электрона можно разложить на две составляющие – попереч- ную и продольную относительно направления магнитных силовых линий (рис. 5). Под дей- ствием поперечной составляющей электрон будет двигаться по окружности, а под действием продольной составляющей - двигаться поступательно. В результате траектория будет пред- ставлять собой спираль.

Зонная энергетическая диаграмма.

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные элек-

троны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектри- ков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количе- ства энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электриче- ское поле) чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободны- ми.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой.

 

 

W Для полупроводников

 

Wп

 

 

 

 

Рис. 6


Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.

 

 


W Для диэлектриков

Зона проводимости

Wп


W Д ля пр о в о дник о в


 

D W=Wп-Wв Wв

Запрещённая зона Wп

 

 


Зона валентности

 

Рис. 7


 

 

Р ис . 8


 

 

Электропроводность полупроводников

 

Собственная проводимость полупроводников

Примесная проводимость полупроводников

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

 

1) Собственная проводимость полупроводников.Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.

 

Ge

Si 4-х валентны

 

Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следую- щим образом.

 

 

- - -

 

 


- Si

 

-

-

 

- Si


- - Si - -

 

-

- + -

+ - Si - -


Si -

 

+ -

-

 

Si -


 

- - -

 

 

Рис. 9

 

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает кова- лентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет по-


ложительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой. В полупро- воднике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni=pi. Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направле- ния движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носи- телем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

Примесная проводимость проводников.

Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, в

полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.

 

 

Si - Si

+

 

Р -

 

Si Si

 

 

Рис. 10

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанав- ливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью.

Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.

В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дыр- ки – неосновными носителями заряда.

 

Si Si

+

 

В -

+

 

Si Si

 

Рис. 11

При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалент- ную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восста- новленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше кон- центрации электронов.


Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью.

Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа.

В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электро- ны – неосновными носителями заряда.

Реальное количество примесей в полупроводнике составляет примерно 1015 1/см3.

Образование электронно-дырочного перехода

Прямое и обратное включение p-n перехода

Свойства p-n перехода

 

1) Образование электронно-дырочного перехода.Ввиду неравномерной концен- трации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт ко- торого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенси- рованные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p- область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицатель- ных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На грани- це раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозя- щим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.


Р n

 

 


Si Si


Si Si


 

 

- + В + - Р

 

 


Si Si


Si Si


 

Рис. 13

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе разде- ла.

+ - + -

- +

- - +

- + +

p - + n

 

E DC

 

 

x

j

 

jк

 

 

x

 

Рис. 14

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграм- мой. Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Sp-n

- +


-

-


+

+


 

P n

 

DХ

 

Рис. 18

Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью.

ε×ε0×S

C=

d

ε×ε0×Sp-n

C= x


Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носи- телей заряда через p-n переход при прямом включении.

Cдиф= QUnp

Q– суммарный заряд, протекающий через p-nпереход.

 

Ri

 

 

Сi

 

Cp-n = Cбарьерн.+Сдиф.

 

Рис. 19

Ri – внутреннее сопротивление p-n перехода.

Ri очень мало при прямом включении [Ri = (n∙1 ÷ n∙10) Ом] и будет велико при обратном

включении [Riобр = (n∙100 кОм ÷ n∙1 МОм)].

x=1

c ×c

 

U

 

+ +

 

t

-

 

 

Рис. 20

Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n пере- хода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ём- костное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при пря- мом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.

Пробой p-n перехода. Iобр = - Io

Iпр

 

 


U о б р


Uпр


 

У ч а с т о к

э л е к т р и ч е с к о г о п р о б о я

 


У ч а с т о к

т е п л о в о г о п р о б о я


 

Iо б р

 

Р ис. 2 1


При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении назы- вается электрическим пробоем p-n перехода.


Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряже- ние не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим.

Полупроводниковые приборы Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

 

К С -156 А Г Д -507 Б


 

I II III IV

 

Рис. 26

 

I –показывает материал полупроводника

Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.

II –тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;

А – диоды СВЧ;

C – стабилитроны; В – варикапы;

И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды;

Л – светодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III –три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

ì101¸399выпрямительные

ï

Д í 401¸499ВЧдиоды

ï 501¸599импульсные

IV –модификация диодов в данной (третьей) группе.

УГО:

 

а) б) в) г) д) е) ж) з)

а) Так обозначают выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки

Рис. 27

 

2) Конструкция полупроводниковых диодов.Основой плоскостных и точечных диодов яв- ляется кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзи- стора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержа- телем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцеп- торной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название).

Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом (смотрите рисунок

28).


А

а к це п то р н а я

п р и м е с ь

 

 

база

P

кристаллодерж а те ль

n

 

К

 

Р ис . 2 8

 

Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Точечные диоды.

 

А Iб а за кр ис та л-

ло д е р - жа те ль

n

 

К

 

Р ис . 2 9

 

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцептор- ной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы ак- цепторной примеси переходят в базу, образуя p-область (смотрите рисунок 30).

Вольфрамовая игла

 

Область p-типа

 

Область n-типа

 

 

P

 

n

 

Р ис . 3 0

 

Получается p-n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокоча- стотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер). Микросплавные диоды.


Их получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимо- сти. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.

Стабилитроны

Варикапы

Фотодиоды

Светодиоды

1) Стабилитроны.Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то

уровня неизменным. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Прин-

цип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

 

Iпр

 


Uобр Uст


Uпр


 

Iстmin

 

 

Iстном

 

Iстmax

 

 

Iст

 

Рис. 40

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в по- лупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.

Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включает- ся обратным включением (смотрите рисунок 40).

URo

 

+ Ro Rн

 


 

Uвх

-


VD1


 

Рис. 41


Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным то- ком стабилизации.

Принцип действия. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряже- ния ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации.

Вывод: стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.

Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации Uст.

Минимальное, максимальное и номинальное значение тока стабилизации Iст.min, Iст.- max, Iст.ном. (смотрите рисунок 42).

 

Iпр

 


 

Uст


D Uс т


 


Uо б р


 

Iстmin


Uпр


 


Iс т


 

н о м


 

 


Iс т


 

ma x


 

 

Iст

 

Р ис . 4 2

ΔUст. – изменение напряжения стабилизации.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации:


Rcт =DUcт =

DIcт


DUcт

Icт.max-Icт.min


Температурный коэффициент стабилизации

 

Iпр

 


Uст' Uст

 

Uобр


 

 

Iстmin


 

 

Uпр


 

 

Iстном

 

 

0 0

2 1

Iстmax

 

 

Iст

 

Рис. 43


 

aст =


DUcт

Ucт ×Dt


 

× 100%


DUcт.t=Ucт'-Ucт


Dt=t20


-t10


Стабилитроны, предназначенные для стабилизации малых напряжений, называются стабисто- рами.

Стабисторы – для стабилизации напряжения менее 3В, и у них используется прямая ветвь

ВАХ (смотрите рисунок 44).

I Iст.max

 

Iст.min

 

DUст. U

 

Рис. 44

Применяются стабисторы в прямом включении.

Варикапы.

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра

используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением.

 

 

- +

- +

- +

p - + n

 

D X

j

 

X

 

D X '

 

 

Р и с . 4 5

 

Принцип действия. Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потен- циального барьера увеличивается.

Сб =e ×eо ×Sp-n

DХ


При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт- фарадная характеристика С=f(Uобр).

 

С

 

 


Uобр


 

Рис. 46


Основные параметры варикапов.

Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.

Cmax

Коэффициент перекрытия k = - отношение максимальной ёмкости к минимальной.

Cmin

Максимальное рабочее напряжение варикапа.

3) Фотодиоды.Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочув- ствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.

Принцип действия. При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотоге- нерация собственных носителей зарядов (смотрите рисунок 47), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов.

Ф

 

  p - - - - + + + +   n

 

Рис. 47

Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.

 

Iпр

 

 

Uобр

 


Ф1=0


Uпр


 


Ф2>0

 

Ф3>Ф2


 

 

Iобр=Iф

 

Рис. 48


Для фотодиодов Iобр – это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока

Iф=f(Ф) (смотрите рисунок 49).


 

Ф Рис. 49

Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излуче- ния Iф=f(λ).

 

Iф Si Ge

 

l

Рис. 50

Темновой ток – ток через фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочем напряжении.Фотодиод на порядок чувствительнее фоторезистора.

Интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку S = .

Ф

Рабочее напряжение – это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все

параметры фотодиода будут оптимальными.

Фотодиод может работать в преобразовательном режиме(аналогично фоторезистору с посторонним источником питания) и в генераторном режимесам фотодиод является источником питания).

 

 

VD1 Rн

 

 

+ E -

Рис. 51

4) Светодиоды.Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Принцип действия. При прямом включении основные носители заряда переходят через p-n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых ти- пов на основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра.

l= h

DW

При обратном включении через p-n переход переходят неосновные носители заряда в область,

где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют. Основные характеристики:

а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока

Pu=f(Iпр).


Pu

 


 

Рис. 52


Iпр


б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны

Pu=f(λ).

 

Pu

 

 

Рис. 53

Основные параметры: яркость свечения при максимальном прямом токе; полная мощность излучения Pu.max.

Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

Импульсные диоды

Диоды ВЧ

СВЧ диоды

1) Импульсные диоды.Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного

p-nперехода при подаче на него импульсного напряжения.


 

- +

- - +

- - +

Uвх p - +


-

- Rн

-

-

n


 

Рис. 54


Uвх

 

0 t1 t2

t

 

 

 

tуст. t

 

 

tвосст.

 

 

Рис. 55

В промежуток времени от 0 до t1 p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t1 p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего мак- симального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст., которое необхо- димо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода.

В момент времени t2 p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости ока- зывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-об- ласть, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p-n переход восстанавливает свои

«закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечны- ми или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник леги- руют золотом для увеличения подвижности электронов.

2) Диоды ВЧ.Это универсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторны- ми, импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтамперной характе- ристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя) (смотрите рисунок 56).

 

I

 

 

U

 

Рис. 56

 

Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p-n перехода.


Микросплавные ВЧ диоды имеют бóльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p-n перехода понижают кон- центрацию акцепторной и донорной примеси.

 

    p     p-     n-     n

 

Рис. 57

 

Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p-n перехода, следова- тельно, к уменьшению барьерной ёмкости:

e ×eо×Sp-n

Сб =

DХ

3) СВЧ диоды.На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p-n переходом, площадь кото- рого значительно меньше, чем у точечных.

 

F

 

 

Р ис . 5 8

 

Заострённая вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённым усилием, за счёт чего образуется очень малой площади p-n переход.

Биполярные транзисторы

Устройство, классификация и принцип действия биполярных транзисторов

Г Т - 313 А

 

К П - 103 Л

 

I II - III IV

 

Рис. 59

I – материал полупроводника: Г – германий, К – кремний.

II – тип транзистора по принципу действия: Т – биполярные, П – полевые.

III – три или четыре цифры – группа транзисторов по электрическим параметрам. Первая циф- ра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведён- ной таблицей.

Таблица 1

 

 

IV – модификация транзистора в 3-й группе.

2) Устройство биполярных транзисторов.Основой биполярного транзистора является кри- сталл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой.

Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противопо- ложным типом проводимости, нежели база.

n-p-n p-n-p


 

К Э К Э


N-p-n

Б К


P-n-p

Б К


 

 


 

 

Рис. 60


Э Э

Рис. 61


 

Область, имеющая бóльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером.

p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмитте- ром и базой – эмиттерным переходом.

Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носи- телей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе (рисунок 62).

 

Э Б К Р ис . 6 2


3) Принцип действия биполярных транзисторов.При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Это достигается соответствую- щим включением источников питания.


Iэ Э -

-

Uвх -


+ + К

- -


N p n Rн

Еэ Ек

Б

 

Рис. 63

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следователь- но, ток эмиттера будет иметь две составляющие – электронную и дырочную. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции:


=еIэ.п


(0,999)


Iэ = Iэ.п. + Iэ.р.

Инжекцией зарядов называется переход носителей зарядов из области, где они были основны- ми в область, где они становятся неосновными. В базе электроны рекомбинируют, а их кон- центрация в базе пополняется от «+» источника Еэ, за счёт чего в цепи базы будет протекать очень малый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряю- щим действием поля закрытого коллекторного перехода как неосновные носители будут пере- ходить в коллектор, образуя ток коллектора. Переход носителей зарядов из области, где они были не основными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией заря- дов. Степень рекомбинации носителей зарядов в базе оценивается коэффициентом перехода носителей зарядов δ:

d=.п.

.п.

Основное соотношение токов в транзисторе:

Iэ = Iк + Iб

d×g=.п. ×.п =.п. =a

× .п.

α – коэффициент передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току:

Iк = α ∙ Iэ

Дырки из коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектора Iкбо.

Iк = α ∙ Iэ + Iкбо

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго – снимается вы- ходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. Таким образом, рассмотренная выше схема получила название схемы с общей базой.

Iэ VT1 Iк

 

Uвх Rн

 

Еэ Ек

 

 


 

 

Iвх = Iэ


Рис. 64


Iвых = Iк


Uвх = Uбэ

Uвых = Uбк

Напряжение в транзисторных схемах обозначается двумя индексами в зависимости от того, между какими выводами транзистора эти напряжения измеряются.

 

IэT=D

 

Iэo

 

Рис. 65 t

Так как все токи и напряжения в транзисторе, помимо постоянной составляющей имеют ещё и переменную составляющую, то её можно представить как приращение постоянной состав- ляющей и при определении любых параметров схемы пользоваться либо переменной состав- ляющей токов и напряжений, либо приращением постоянной составляющей.

 

=

,

= ,

где Iк, Iэ – переменные составляющие коллекторного и эмиттерного тока, ΔIк, ΔIэ – постоянные составляющие.

Схемы включения биполярных транзисторов

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из вы-

водов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

Iвых


 


Iвх


 

 

Еб Ек


 

 


 

Iвх = Iб Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ


Рис. 66


β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10÷100)

Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100÷1000)

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных состав- ляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действую- щих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером - Uкэ:

Напряжение база - эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает еди- ниц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиле- ния каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам ты- сяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каж- дая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих то- ков и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000

Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход- ным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

· Большой коэффициент усиления по току

· Бóльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление

· Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Одна- ко за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Iвых


 


Iвх


 

 

Еб Ек


 

 

Рис. 67

 

В схеме с ОК (смотрите рисунок 67) коллектор является общей точкой входа и выхода, по- скольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна от- рицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме перемен- ного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усилив а е т с я в д е с я т к и р а з ( т а к ж е , к а к и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности



Последнее изменение этой страницы: 2016-09-05; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.231.243.21 (0.015 с.)