Така домішка називається донорською, провідність – електронною, а напівпровідник – напівпровідником n – типу.

При додаванні домішці, валентність якої менше валентності напівпровідника (наприклад, атоми бору), в тілі напівпровідника різко збільшується концентрація дірок. Тому

Форм. 4

де: Р_Р - концентрація носіїв домішки.

Така домішка називається акцепторною, провідність - дірковою, а напівпровідник - напівпровідником p - типу.

Металургійна межа між напівпровідниками двох типів називається електронно-дірковим або p-n переходом. Це основний робочий елемент напівпровідникових електронних приладів. Виділимо наступні його властивості.

1. За відсутності зовнішнього електричного поля біля кордону p-n переходу утворюється об'ємні заряди електронів в p області і дірок в n області. Перепад потенціалу зарядів утворює потенційний бар'єр причому

Форм. 5

де: концентрація іонізованих атомів в напівпровіднику; температурний потенціал, при Т=3000 к

У безпосередній близькості від межі переходу утворюється шар напівпровідника збідненого носіями зарядів. Провідність цього шару мала і його називають таким, що замикає. Опір р-n переходу визначається товщиною замикаючого шару.

2. При зворотному включенні Р-n переходу (мінус до Р області, плюс до n області) замикаючий шар розширюється. Опір р-п переходу збільшується (до 104 Ом). Практично вся напруга зовнішнього джерела подає на цьому опорі, збільшуючи висоту потенційного бар'єру причому

Форм. 6

Цей бар'єр перешкоджає дифузійним струмам, зменшуючи їх до нуля (залежно від величини ). Значення дрейфових струмів залишається тим самим або декілька зростає залежно від теплового режиму напівпровідника.

3. При прямому включенні р-n переходу (плюс до р області, мінус до n області), що замикає шар зменшується. Опір р-n переходу падає (до п100 Ом). Тепер падіння напруги зустрічно потенційному бар'єру причому

Форм. 7

Це приводить до збільшення дифузійних струмів, які називають прямими, і позначають Iпр.

Таким чином, р-n перехід володіє односторонньою провідністю. Це основна властивість цілого класу напівпровідникових електронних приладів, званих діодами.

Нагадаємо, що діод це напівпровідниковий електронний прилад з одним р-n переходом і двома виводами. Умовне графічне позначення діода приведене на рис. 3 а.

Рис. 3

Діоди точкові та площинні / планарні

Діоди точкові

Діод являє собою двохелектродний напівпровідниковий прилад, який має однин p-n-перехід. Однин вивід (анод) підключений до області напівпровідника р-типу, а другий (катод) до області провідністю n-типу. При підключенні напруги додатної полярності до аноду, а від’ємної до катоду перехід зміщується в прямому напрямку і діод відкривається. Через нього починає протікати електричний струм. При зміні полярності діод закривається і струм через нього не проходить.

Рис. 4

Діоди поділяють на точкові та площинні або планарні (від англійського plane).

Точкові діоди мають p-n-перехід з малою товщиною і площиною, тому розраховані на малі струми і невеликі напруги, але завдяки малим розмірам переходу вони мають малу власну ємність, що дозволяє використовувати їх в широкому діапазоні частот.

Площинні діоди мають дуже велику площину і товщину p-n-переходу, що дозволяє їх застосовувати для кіл низьких частот при наявності значного струму і великої напруги.

Напівпровідникові діоди класифікуються:

1) за призначенням: випрямні, високочастотні та надвисокочастотні (ВЧ-і СВЧ-діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, звернені, варикапи та ін;

2) за конструктивно - технологічних особливостей: площинні і точкові;

3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві та ін

У точковому діоді використовується платівка германію або кремнію з електропровідністю n-типу (рис.5), товщиною 0,1... 0,6 мм і площею 0,5... 1,5 мм²; з платівкою стикається загострена «затримка» (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n - перехід напівсферичної форми.

Рис. 5 – Конструкція точкових діодів

 

Площинні діоди

Площинні діоди виготовляються методами сплаву (cплавлення) або дифузії (рис. 6).

До платівки германію n-типу вплавляються при температурі близько 500 °С краплю індію (рис. 6, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до Індію припаюють вивідні затримки, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р - типу, то в нього вплавляються сурму і тоді виходить емітерна область n-типу.

Дифузійний метод виготовлення р-n-переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 6, б). Для створення р-шару використовують дифузію акцепторного елемента (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу.

Рис. 6 – Конструкція площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б)

Біполярні транзистори

Транзистори - це електронні прилади, призначені для посилення і перетворення сигналів. Найбільш поширені транзистори з двома р-n переходами і трьома виводами. Їх називають біполярними, оскільки в роботі використовуються носії обох знаків.

Структурна схема транзистора приведена на рис. 7. Переходи ділять монокристал напівпровідника на три області, причому середня область має тип електропровідності, протилежний крайнім. Середню область називають базою, одну з крайніх областей емітером, а іншу колектором.

Рис. 7

Як матеріал для виготовлення транзисторів використовують германій або кремній.

Залежно від типу електричної провідності крайніх областей існують транзистори р-n-р або n-р-n структури. На рис. 8 а приведено схемне позначення транзистора р-n-р, а на рис. 8 б - транзистора n-р-n типу.

Рис. 8 –

 

Розглянемо роботу транзистора n-р-n в активному режимі. У ланцюг джерела колекторної напруги - Е_К - транзистор включають послідовно з резистором R_К. На вхід транзистора подається Е Р С - , що управляє роботою (рис. 9 а). При такому включенні емітер є загальною точкою вхідного і вихідного ланцюгів. Тому воно називається включенням із загальним емітером.

Рис. 9

 

За відсутності напруги р-n переходи знаходяться в стані рівноваги. Струми через них рівні нулю.

Зовнішні джерела включають так, щоб на емітерному переході була пряма напруга (плюс джерела поданий на базу, мінус - на емітер), а на колекторному переході - зворотне (плюс джерела Е_К - на колектор, мінус - на емітер). Зазвичай Тому

Форм. 8

Під впливом прямої напруги Uбэ починається посилена дифузія електронів з емітера в базу, утворюючи струм емітера Iэ. Оскільки база транзистора виконується тонкою, основна частина електронів досягає колекторного переходу, не потрапляючи в центри рекомбінації. Ці електрони захоплюються полем, що прискорює, закритого колекторного переходу з потенціалом і втягуються в область колектора.

Форм. 9

Струм електронів, що потрапили з емітера в колектор, замикається через зовнішній ланцюг і джерело Е_К. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Ця частина зменшує струм колектора на величину . тобто

Форм. 10

де - коефіцієнт передачі струму емітера.

Заряд рекомбінованих електронів залишається в базі. Для компенсації цього заряду з джерела Еб в базу поступають дірки. Тому струмом бази є струм рекомбінації

Форм. 11

Струм колектора, визначуваний виразом (10), залежить від напруги Uбэ і називається керованим. Окрім керованого струму, через закритий колекторний перехід протікає зворотний струм Iкбо, обумовлений дрейфом власних носіїв заряду. З урахуванням цього

Форм. 12

а

Форм. 13

Виразимо струм емітера з останнього виразу

Форм. 14

Підставляючи це значення у вираз для струму колектора, отримуємо:

Форм. 15

де - коефіцієнт передачі струму бази ; Iкэо – зворотний струм транзистора.

Оскільки Iкэо зазвичай нехтує малий, справедливо наближена рівність

Форм. 16

Воно показує, що якщо струм бази змінити на величину , то струм колектора зміниться на величину тобто в раз більшу. У цьому і полягає суть посилення.

До основних параметрів біполярних транзисторів відносяться середні і максимально допустимі значення струмів колектора і бази, максимальні значення напруги Uкэ; Uбэ; Uкб; коефіцієнт передачі струму бази , максимально допустима частота і потужність і тому подібне

Кожен транзистор по схемі з ОЕ описується сімействами вихідних і вхідних характеристик (рис. 9 б і 9 в відповідно). Вихідною вольтамперною характеристикою транзистора називається залежність струму колектора від напруги Uкэ тобто , знята при постійному струмі бази I б = const.

На вихідній характеристиці можна виділити три характерні ділянки. Перша ділянка лежить в області малих значень При такій напрузі колекторний перехід виявляється відкритим. Транзистор працює в режимі насичення. Струм колектора різко змінюється із зміною напруги

Напруга відсікає круту ділянку лежить в межах Перша ділянка використовується в імпульсній техніці при реалізації ключового режиму транзистора.

Велику частину характеристики займає II, полога ділянка. На цій ділянці струм колектора майже не залежить від напруги . Її значення практично повністю визначається струмом бази (рис. 9 в.). Транзистор працює в активному режимі, забезпечуючи посилення сигналу. Невеликий нахил пологої ділянки обумовлений тим, що із зростанням збільшується потенційний бар'єр закритого колекторного р-n переходу, розширюється його замикаючий шар за рахунок товщини бази. У тоншій базі менше вірогідність рекомбінації, тому значення а значить і збільшується.

Різке збільшення струму на III ділянці характеристики викликається явищем електричного пробою.

Вхідною вольтамперною характеристикою транзистора називається залежність струму бази від напруги при постійній напрузі . При обидва переходи в транзисторі працюють під прямою напругою.

Струми колектора і емітера складаються в базі. Вхідна характеристика транзистора, в цьому випадку, є ВАХ два p-n переходів, включених паралельно.

При колекторний перехід закривається. Транзистор переходить в активний режим роботи. Струм бази в цьому режимі визначається виразом (11). Тому вхідна характеристика транзистора будується як пряма гілка ВАХ одного (емітерного) переходу.

Польові транзистори

Польові транзистори підрозділяються на два типи: з р-n переходом і МДП-типа.

Розріз структури польового транзистора з р-n переходом приведений на рис. 10 а.

Шар напівпровідника з провідністю р-типа називається провідним каналом. Він має два виходи в зовнішній ланцюг: И – витік, С – стік.

Шари напівпровідника з провідністю n – типу сполучені між собою і мають вивід в зовнішній ланцюг, званий затвором С. Полярність включення джерел напруги приведена на рис. 10 а.

На рис. 10 б приведено схемне позначення транзистора з р каналом, а на рис. 10 в – з n каналом.

Рис. 10

Коли напруга, що управляє по каналу тече струм, значення якого залежить від напруги . Ця залежність приведена на мал. 10 г. Напруга рівномірно розподілена по довжині каналу. Вона викликає зворотнє зміщення р-n переходів, причому найбільша зворотна напруга прикладена до області стоку, а в області витоку переходи знаходяться в рівноважному стані (рис. 11 а).

Рис. 11

 

На рис. 11 а, б заштрихована площа імітує область замикаючого шару р-n переходу.

Із збільшенням напруги область подвійного замикаючого шару збільшується (пунктирна лінія на мал. 11 а), звужуючи провідний канал і збільшуючи його опір. Тому залежність має нелінійний характер. При деякому значенні межі р-n переходу змикаються і зростання струму при подальшому збільшенні припиняються (полога ділянка характеристики рис.10 г).

Перетворювачі напруги

Більшість електронних керуючих приладів, вимірників, обчислювальних і інших пристроїв живляться напругою постійного струму. Мережева напруга змінна, з частотою 50 Гц одно або трифазна. Тому практично кожен електронний прилад забезпечений автономним перетворювачем напруги змінного струму в напругу постійного струму.

У загальному випадку перетворювач напруги може містити трансформатор, випрямляч, що згладжує, фільтр і стабілізатор постійної напруги. Основним вузлом перетворювача є випрямляч. Принцип роботи трансформатора був розглянутий в розділі електротехніка курсу. Тому перетворювачі напруги почнемо розглядати з основних випрямних схем.

Випрямлячі

Розрізняють некеровані і керовані випрямлячі. Для побудови некерованих випрямлячів застосовують напівпровідникові діоди, а для побудови керованих - тиристори.

Схема простого однонапівперіодного випрямляча приведена на рис. 1 а. На рис. 1 б приведені відповідні цій схемі епюри напруги і струму.

Рис. 1

До складу схеми входять: джерело синусоїдальної напруги випрямний діод, і навантаження При аналізі роботи схеми вважатимемо, що опір діода в прямому напрямі рівний нулю, а в зворотному - нескінченність. При таких допущеннях через навантаження протікає несинусоїдальний періодичний струм, у вигляді півхвиль синусоїди

Форм. 1

Цей струм створює на опорі падіння напруги у вигляді періодичних пульсацій. З урахуванням прийнятих допущень амплітудне значення пульсацій рівне амплітудному значенню вхідної напруги (рис. 1 в). Під час негативного напівперіоду вхідної напруги вся напруга джерела падає на нескінченно великому опорі діода. Таке падіння напруги називають зворотною напругою діода, а випрямляч - однонапівперіодним.

Рис. 1 в наочно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Т рівний періоду вхідної напруги. Означає і частота пульсацій рівна частоті вхідної напруги f, а кратність пульсацій

Форм. 2

Визначимо інтегральні параметри випрямленої напруги. Середнє значення струму І₀ визначимо виразом

Форм. 3

Аналогічно

Форм. 4

Значення випрямленого струму, що діє

Форм. 5

Відповідно

Форм. 6

Для оцінки якості випрямленої напруги застосовують спеціальний параметр - коефіцієнт пульсацій - Кп. Він визначається відношенням амплітуди першої гармоніки випрямленої напруги (пульсацій) - до середнього значення - тобто

Форм. 7

Розкладання в ряд Фурье функції, представленою рис.1 в має вигляд

Форм. 8

У цьому розкладанні перший член - постійна складова - середнє значення випрямленої напруги, а амплітуда першої гармоніки

Форм. 9

Отже

Форм. 10

Таким чином, розглянута схема однонапівперіодного випрямляча дозволяє набути малих значень середнього і діючого струмів і напруги і володіє великим значенням пульсацій - Кп = 1,57.

Значно кращими параметрами володіє схема двонапівперіодного випрямляча, розроблена в 1901 р. академіком Міткевічем (рис. 2 а). До складу схеми входять: джерело синусоїдальної напруги, трансформатор з виводом від середньої точки вторинної обмотки, два діоди і опір навантаження - R_H. Опір навантаження включений між катодами діодів і середньою точкою вторинної обмотки.

На інтервалі часу від 0 до Т/2 (рис. 2 б) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора така, як показано на рис. 2 а. До діода Д₁ прикладена пряма напруга, а до діода Д₂ - зворотня. У ланцюзі вторинної обмотки потече струм І₁ від крапки 1, через діод Д₁, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіоду вхідної напруги.

Рис. 2

На інтервалі від Т/2 до Т (негативний напівперіод) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора зміниться на протилежну. Тепер до діода Д₂ прикладена пряма напруга, а до діода Д₁ - зворотня. У ланцюзі вторинної обмотки потече струм І₂ від крапки 1', через діод Д₂, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки.

Напрям струму через R_H залишився таким же і під час позитивного напівперіоду. Тому цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі негативного напівперіоду. Саме тому даний випрямляч часто називають двонапівперіодним.

Рис. 2 в наочно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Тп в два рази менше періоду вхідної напруги. Отже

Форм. 11

 

Форм. 12

 

Форм. 13

 

Форм. 14

 

Форм. 15

 

Форм. 16

 

де

Форм. 17

 

Вирази показують, що схема Міткевіча має значно кращі параметри, чим однонапівперіодний випрямляч. Проте застосування трансформатора з виводом від середньої точки вторинної обмотки не завжди прийнятно. Вільна від цього недоліку схема мостового випрямляча (рис. 3). Схема включає в свій склад джерело напруги u(t), чотири діоди і опір навантаження R_H, яке включене в діагональ моста.

Рис. 3

Хай під час позитивного напівперіоду вхідної напруги полярність контактів 1 - 1' така, як показано на рис. 3. В цьому випадку до діодів Д₁ і Д₄ прикладена пряма напруга, а до діодів Д₂ і Д₃ - зворотня. У ланцюзі випрямляча потече струм І₁ від контакту 1, через діод Д₁, опір навантаження R_H, діод Д₄, до контакту 1'. Цей струм створить на опорі навантаження падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіоду вхідної напруги (см.рис. 2 в).

Під час негативного напівперіоду вхідної напруги полярність контакту 1 - 1' міняється на протилежну. Тепер напруга прикладена до діодів Д₂ і Д₃, а зворотна - до діодів Д₁ і Д₄. У ланцюзі випрямляча потече струм І₂ від контакту 1', через діод Д₃, опір навантаження R_H, діод Д₂, до контакту 1. Бачимо, що напрям струму через опір R_H не змінився. Означає форма напруги на опорі R_H така як на рис. 2 в, а параметри мостового випрямляча такі ж як параметри схеми Міткевіча. Проте, через компактність саме мостова схема набула широкого поширення.

Зіставлення параметрів одно і двонапівперіодних випрямлячів дозволяє встановити зв'язок між значеннями кратності пульсацій m і коефіцієнта пульсацій Кп.

Так для однонапівперіодного випрямляча m = 1, а Кп = 1,57. Для двонапівперіодного випрямляча m = 2, а Кп = 0,67. Враховуючи, що коефіцієнт пульсацій визначається середнім значенням випрямленої напруги U₀, знайдемо залежність

Для цього досить проінтегрувати миттєве значення напруги на навантаженні у межах від -Т/2m до Т/2m (тобто в межах однієї пульсації)

Форм. 18

 

Замінимо оператора інтеграції Тоді період Т потрібно замінити на 2.

Тепер

Форм. 19

 

Отримане рішення показує, що для збільшення середнього значення випрямленої напруги U₀ (а значить для зменшення Кп) потрібно збільшувати кратність пульсацій m.

На рис. 4 приведена схема трифазного однонапівперіодного випрямляча. У її склад входять трифазний трансформатор, три діоди і опір навантаження Rн. Кожна фаза вторинної обмотки трансформатора включена на загальне навантаження і відповідний діод. Тому кожен діод відкривається під час позитивної півхвилі своєї фази. Що огинає випрямленої напруги представляє три пульсації на інтервалі одного періоду вхідної напруги, тобто m = 3, а

Форм. 20

 

Рис. 4

Ефективніша мостова схема трифазного випрямляча (рис. 5). У цій схемі кожна пара діодів входить до складу двох мостів. Тому шість діодів утворюють три мостові схеми для трьох фаз. Що огинає випрямленої напруги містить шість пульсацій на інтервалі одного періоду, тобто m = 6, а

Форм. 21

 

Рис. 5