ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Привет всем читателям «Радиосхем«, меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами о полупроводниках и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы  начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды – не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.

Вы знаете как работает простой проводник — ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор – это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный  проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки – это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Теперь разберёмся — как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает  двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.

Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p — это positive (позитив, положительный), n — negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да — мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p — положительный является анодом, n — отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска — она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.

Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток — это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.

Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.

Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия — сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону — это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.

Биополярные и полевые транзисторы

Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а  полевые пока не будем трогать — отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура – это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и  n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод — эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод — коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть «n», дальше эмиттер — принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.

Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать — транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.

Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n. 

На этом статья закончена, если что-то не понятно — обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын.

   Форум по теории электроники

   Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Транзисторный эффект | Практическая электроника

После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личные сообщения стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные  вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох ;-). А вот где эта самая “изюминка” мы и рассмотрим в этой статье…

Строение транзистора

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для PNP транзистора

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

как-то вот так:

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (Общим Эмиттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение – мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания. Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1  – это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а

Bat2 – блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это  выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у  нас загорается лампочка. Следовательно, наш транзистор “открылся”

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и не “сделать” из них транзистор? Сказано – сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы “транзистора”.

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

и…

нет, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А. 

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод “база-эмиттер”, если, конечно, вспомнить вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Транзисторный эффект

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов  пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти “диоды”? Если учесть, что N полупроводник – это хлеб, а тонкий слой ветчины – это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Дело все в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая, как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому, транзистор, ведет себя как транзистор :-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодомназывается не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анода и катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика,т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью(пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI_ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI_ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

U_ОБР

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температурыокружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

• Максимальный прямой ток I _ПР;

• Температурная стойкость t⁰ _max;

• Максимальное обратное напряжение U _KP.

• Сопротивление постоянному току R₀ = U _ПР / I _ПР;

• Сопротивление переменному току R _i =Δ U _ПР / Δ I _ПР;

• Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I _ПР / Δ U _ПР;

• Мощность потерь на аноде P _A = U _ПР I _ПР;

Область использования диодов: выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы –полупроводниковые приборы с двумяр-ппереходами, позволяющиеусилитьэлектрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные(полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзисторомназывается полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-ппереходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n)транзисторы, разница между которыми состоит вполярностиподключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер– излучатель зарядов,база– основание иколлектор– собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) — дырочной p, а находящаяся между ними база —электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

Iэ Iк

R_Н

Вход Выход

+ — + —

Рис. 2. Биполярный p— n— pтранзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p—nиn—p. Первый переход (p—n) включен впрямомнаправлении, т.е. минус кn-области, а плюс кр– области — эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n—p) включен вобратномнаправлении, т.е. плюс к базе (n— область), а минус кр– области — коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратнымU_Kвключением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p—nпереход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе, дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испы­тывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU _K, переходят в кол­лектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в кол­лектор из отрицательного полюса батареи питания. В резуль­тате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI _K, несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное — это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, кото­рый зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллектор­ным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощностиподводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR нпри соответствующем подборе напряжения батареиU кможет быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R _H >> R _ВХ, а входной (эмиттерныйI_Э) и выходной (коллекторныйI_К) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU_ВХ = I_ВХ * R_ВХ ; Pвх= I ²вх *Rвхменьше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузке U = I_К * R_Н ; Pн = I_K² * RН. Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI_Э ~ = I_К).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора — схема с общим эмиттером,при которой, кроме усиления мощ­ности, имеет место такжеусиление тока.Схема включенияс общим коллекторомиспользуется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффи­циент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько де­сятков единиц, по напряжению — около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в сле­дующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в боль­шинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей при­водит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k опреде­ляется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

• Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

а)

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в — переходная

• Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ_ВЫХ/ΔΧ_ВХ;ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ;ΔI_ВЫХ/ΔI_ВХ;ΔP_ВЫХ/ΔP_ВХ.

R = ΔU_ВХ / ΔI_ВХ.

P_K = U_K ^* I_K.

Достоинства транзисторов:малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки: существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использованиятранзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.

Диод и транзистор

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

32

Как видно из рисунка, напряжение на частоте 500 Гц возрастает до 4 В, а это означает, что сопротивление на частоте 500 Гц резко увеличивается. Именно эту особенность – реакцию на определенную частоту – я и хотел отметить. Свойство выделять определенную частоту переменного тока у пары конденсатор-индуктивность называют резонансом. Для каждого значения конденсатора и индуктивности есть своя резонансная частота. Ее значение равно единице, деленной на корень квадратный из произведения этих значений, умноженный на коэффициент 2π. Я не буду приводить расчетную формулу, которую легко получить из исходной предпосылки равенства емкостного и индуктивного сопротивлений, но отмечу, что это свойство достаточно широко применяется для выделения определенной частоты из множества других, особенно в радиотехнических схемах.

Я использовал параллельное включение конденсатора и индуктивности (катушки индуктивности), в этом случае говорят о параллельном резонансе, но можно включить их последовательно, получив последовательный резонанс. Выше я говорил о том, что напряжение на конденсаторе и ток через него не совпадают по фазе. Посмотрите, что происходит с напряжением и током резонансного контура (так называют пару конденсаториндуктивность), используя схему аналогичную той, что я приводил для конденсатора. Очень интересный эксперимент.

Рис. 1.21. Транзисторы

На плате передо мной есть несколько диодов и транзисторов, немного, но они есть. Их, в отличие от резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, относят к активным элементам электрической цепи. Без них не обходятся ни усилители, ни генераторы. Выпрямители, стабилизаторы, индикаторы, фотоприемники – вот неполный перечень применений диодов. А если разобрать любую микросхему, аналоговую или цифровую, то можно убедиться в том, что это царство транзисторов. Диоды и транзисторы изготавливаются особым образом из полупроводниковых материалов. Напомню, что полупроводником называют материал, который по свойству проводить электрический ток, занимает промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Когда-то по этой причине они были мало интересны, провода из них не сделаешь, слишком большое сопротивление, а в качестве изолятора лучше использовать резину или текстолит. Причина плохой проводимости тока у полупроводников в их строении. Количество электронов, способных перемещаться по материалу, много меньше, чем у металлов, но они есть, что мешает использовать материал в качестве изолятора. Мало того, у одних типов полупроводников, как и у металлов, есть электроны-бродяги, а у других типов полупроводников все еще путаней – вместо добропорядочных носителей зарядов есть вакансии для неприкаянных электронов, которые называют «дырками». Интерес к полупроводникам появился тогда, когда из полупроводников двух типов сделали двухслойную конструкцию, у которой обнаружилось прелюбопытное свойство – пропускать постоянный ток в одном направлении, и не

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

33

пропускать в другом.

Проведем два эксперимента с полупроводниковым диодом: соединим последовательно диод и резистор (чтобы ограничить ток), добавим амперметр, подключим все это к батарейке. В первом случае включим батарейку в одной полярности, а во втором в противоположной, и посмотрим, что у нас происходит с постоянным током, проходящим по нашей схеме.

Рис. 1.22. Диод (в прямой полярности подключения) в цепи постоянного тока

В этом случае ток в цепи равен 10 мА (тысячным долям ампера), что мы, зная закон Ома, можем получить расчетным путем: ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Разделим напряжение (ЭДС) 10 В на сопротивление (резистора) 1 кОм (тысяча Ом) и получим ток в 10 мА (десять тысячных ампера). Диод ведет себя себя как проводник, то есть, так, как будто его почти совсем нет. Изменим полярность батарейки на противоположную.

Рис. 1.23. Диод (в обратной полярности) в цепи постоянного тока

Ток через амперметр в этом случае равен 1 мкА (одной миллионной доли ампера), а мы можем рассчитать сопротивление цепи, разделив напряжение на ток: 10 В разделим на ток 1 мкА и получим сопротивление 10 МОм (десять миллионов Ом). Этот расчет можно проверить опытным путем – замените диод резистором в 10 МОм и, если получите ток через амперметр I1 равным 1 мкА, то расчет сделан верно.

Что полупроводниковый диод чувствителен к полярности приложенного напряжения можно убедиться с помощью мультиметра. У него есть режим измерения, который помечен значком диода (диод обозначается на схемах в виде треугольника, упирающегося в стенку), подключая диод к мультиметру в этом режиме, можно увидеть, что тот показывает сопротивление порядка нескольких сотен ом при одной полярности включения и показывает

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

34

перегрузку (горит только единичка в старшем разряде) при смене полярности. Именно так проверяют работоспособность полупроводникового диода мультиметром.

Как объясняется это свойство двухслойной конструкции из полупроводниковых материалов разного типа? Представим, что у нас есть две маленькие тонкие пластинки из полупроводников разного типа. Поверхности пластинок так идеально отшлифованы, что соединив их вместе, мы получим, как бы, единую пластинку. В этом случае электроныбродяги из полупроводника одного типа (его называют полупроводником типа «n») могут перемещаться через границу, попадая в полупроводник другого типа (его называют полупроводником типа «p»), где электроны охотно занимают вакантные места в атомах материала (заполняют «дырки»). Но до этого электрически нейтральные атомы на границе раздела материалов становятся заряженными – те, что потеряли электроны, положительно, присоединившие электроны, отрицательно. Между этими заряженными атомами на границе раздела возникает электрическое поле, которое теперь уже мешает электронам из материала типа «n» попадать в материал типа «p». В целом наша конструкция остается электрически нейтральной, сколько было каких зарядов, столько их и осталось. Но, когда мы подключаем к нашей конструкции внешний источник ЭДС, то создаваемое им поле может ослабить поле на границе раздела при прямой полярности включения, и тогда электроны от одного полюса источника питания могут двигаться по диоду, как по обычному полупроводнику. Полупроводник будет проводить ток хуже проводника, но достаточно хорошо. Если мы изменим полярность источника ЭДС, то внешнее поле усилит поле на границе раздела и электроны от одного полюса к другому почти не смогут перемещаться из-за противодействия результирующего электрического поля. Наша конструкция почти не проводит ток, как изолятор.

Свойство диода столь разно проводить ток разной полярности используется для «выпрямления» переменного тока. Заменим батарейку на схеме источником переменного тока, чтобы понаблюдать за током. Как выглядит переменный ток, будем считать, мы знаем.

Рис. 1.24. Диод в цепи переменного тока

Диод как бы «отрезает» отрицательную полу-волну синусоидального переменного напряжения. Если поменять полярность включения диода, то диод будет отрезать другую полу-волну.

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

35

Рис. 1.25. Обратная полярность включения диода

То, что пропускает диод, остается переменным током, но его направление почти не меняется, меняется только величина. И если в цепь добавить конденсатор (для конденсации «результатов»), то мы получим почти постоянный ток из переменного.

Рис. 1.26. Выпрямление переменного тока

Результирующий ток будет тем больше похож на постоянный, чем больше величина конденсатора C1 в нашей схеме выпрямителя. Ведь, в сущности, мы «выпрямили» переменный ток.

Вот каким полезным свойством обладает простейшая конструкция из полупроводников разного типа проводимости. И почти так работаю блоки питания электронных устройств от силовой сети 220 В. Конечно с участием понижающего трансформатора, поскольку напряжение питания многих электронных устройств 5-10 В, а не 220. Как именно устроен простейший блок питания? Добавьте трансформатор к схеме, и все. Правда, схема, показанная выше, осуществляет однополупериодное выпрямление. То есть, выпрямляется только один полу-период переменного напряжения. Но можно увеличить количество диодов, получив двухполупериодное выпрямление, либо с мостовой схемой при четырех диодах, либо с двумя диодами и двумя выходными обмотками трансформатора. Думаю, с этим вы разберетесь без меня, а я хочу только отметить, что конденсатор, добавленный к схеме, заряжается, когда присутствует полу-волна, и разряжается, когда она отсутствует, играя роль источника тока для схемы в это время и «сглаживая» напряжение на выходе блока питания, поэтому конденсатор в схеме выпрямителя часто называют сглаживающим, а напряжение на выходе пульсирующим.

А я хочу продолжить рассказ о конструкциях полупроводников.

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

36

Положим, мы возьмем не две пластинки из полупроводниковых материалов разного типа, а три. Соединим эти три кусочка полупроводника, так, чтобы между двумя пластинками одного типа была тоненькая пластинка другого. В итоге мы получим конструкцию, имеющую три вывода, и называющуюся биполярный транзистор. В зависимости от выбора типа полупроводника средней пластинки мы получим транзистор «n-p-n» или «p-n-p» типа.

Итак, биполярный транзистор типа «n-p-n». Он имеет две области с электронным типом проводимости, между которыми заключена область полупроводника с «дырочным» типом проводимости. Как и у диода на границах областей образуются пограничные слои, но теперь их два. Как и у диода, в зависимости от полярности приложенной ЭДС эти пограничные слои будут влиять на пропускную способность, оказывая сопротивление постоянному току, зависящее от приложенного напряжения. Такую конструкцию можно было бы представить в виде двух диодов, включенных встречно, если бы ни одно «но!». Область, заключенная между двумя материалами с одним типом проводимости, конструктивно очень тонкая. Вывод, подключенный к ней, называется у транзистора базой. Конструкция транзистора такова, что области одинаковой проводимости не равнозначны, одна из них играет роль поставщика носителей тока и называется эмиттер, другая роль сборщика носителей и называется коллектор. Возникающие в отсутствии источников ЭДС два пограничных слоя, чем-то похожие на заряженные конденсаторы, препятствуют перемещению носителей тока из эмиттера в базу и из коллектора в базу, но для носителей, прошедших из эмиттера в базу поле перехода база-коллектор (пограничный слой называют переходом) становится «попутным», помогающим им перейти в область коллектора. Два источника питания транзистора включают так, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то есть, поле пограничного слоя компенсируется, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, его поле усиливается внешним. Ток двух источников питания будет частично протекать по базовому выводу, но основная масса носителей от их поставщика, эмиттера (изза того, что область базы очень тонкая), будет попадать в «попутное» поле перехода коллектора-база. Вот неполная картина происходящего в транзисторе. В дальнейшем я, надеюсь, не буду обращаться к ней, но какую-то картинку происходящего полезно иметь перед глазами.

Мне кажется, что для работы с транзистором удобнее рассматривать его, как распределитель токов: ток эмиттера разветвляется в базу и коллектор (для p-n-p транзистора), а между токами базы и коллектора существует строгая взаимосвязь – ток коллектора почти всегда равен произведению тока базы на постоянную, которую называют (статическим) коэффициентом усиления транзистора по току. Этот коэффициент у разных транзисторов меняется от нескольких десятков до сотен единиц. Именно благодаря этому свойству транзистор имеет то широкое применение, которое он имеет.

На практике редко применяют включение двух источников постоянного напряжения для питания базовой и коллекторной цепей, но лучше все-таки это нарисовать, чтобы легче было понимать, как на практике включают транзистор, чтобы использовать его «активное» свойство усиливать ток, втекающий в базу транзистора (или из нее вытекающий у транзистора другого типа).

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

37

Рис. 1.27. Схема включения транзистора

Хочу сразу заметить, что не следует пытаться проводить подобный эксперимент, впаяв транзистор на макетную плату. Дело в том, что переход транзистора база-эмиттер (эмиттер обозначен стрелкой) ведет себя подобно диоду, то есть при том включении (и напряжении источника VDC1), которое изображено выше, ток через переход будет весьма большим, вызывая разогрев перехода, который попытается «засветиться» подобно лампочке при нагреве, но сгорит быстрее, чем вы успеете заметить это свечение. Я даже не стал рисовать землю, чтобы показать, что не запускал симуляцию схемы. Впрочем, на компьютере вы можете провести любые эксперименты без опасений за целостность ваших компонентов, чем компьютер и полезен.

Итак, источник тока VDC1 создает на переходе база-эмиттер электрическое поле, ослабляющее поле пограничного слоя. Носители, выходя из области эмиттера попадают под действие разгоняющего их поля источника VDC2, и почти все «улетают» в область коллектора. Влияние поля, создаваемого источником VDC1 на ток коллектора очень велико, а роль источника VDC2 можно назвать «направляющей», направляющей ток к коллектору, чтобы он весь не уходил в базу. Если убрать этот источник тока, то весь ток, выходящий из эмиттера, пройдет в базовую цепь транзистора.

Если для транзистора типа n-p-n удобно говорить о токе, образованном электронами, рассуждения о токе эмиттера, разветвляющегося на ток базы и ток коллектора, то для транзисторов типа p-n-p вполне уместно повторить те же рассуждения, считая, что носителями тока в этом случае выступают «дырки». Ход рассуждений получается одинаков.

Для экспериментов, на макетной плате или за компьютером, удобнее следующая схема:

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

38

Рис. 1.28. Наблюдение токов базы и коллектора транзистора

Такая схема включения транзистора гораздо чаще встречается на практике. Программа, как вы заметили, которую я использовал – это другая программа, и она называется Qucs. Есть несколько причин, по которым я сменил программу.

Первая причина банальна, о ней не стоило бы говорить, но она есть. Я не смог найти транзистор в программе PSIM, который позволил бы мне легко проиллюстрировать несколько опытов с транзистором. Выбор оставался небольшой, либо потратить некоторое время на чтение документации, либо сменить программу. Я выбрал второе. И для этого была еще одна причина.

Вторая причина смены программы – если первая предназначена для работы в Windows, то вторая для работы в Linux. Хотя первая работает у меня в Linux, а вторая может работать в Windows, я хочу уделить одинаковое внимание программам для обеих операционных систем, переходя к той, что в данный момент удобнее.

В справочной литературе приводится множество параметров для каждого транзистора. Впервые сталкиваясь с этим, испытываешь затруднение – какой из параметров транзистора самый важный? Как выбрать транзистор? Мое мнение – начинающему радиолюбителю не следует «зацикливаться» на этом. Если вы собираете схему, которая вам приглянулась, постарайтесь использовать те транзисторы, которые указаны в схеме, а если их нет, посмотрите, в описании часто указывают возможную замену. Со временем вы разберетесь в основных параметрах или во всех параметрах, но для этого нужно время. В большинстве случаев предельно допустимые напряжение, ток и мощность, и верхняя граничная частота транзистора будут иметь решающее значение, но иногда, хотя и редко, можно применить

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

39

только транзистор, указанный в схеме. На протяжении этой книги вы много раз встретитесь с транзисторами и, надеюсь, у вас появится некоторый опыт, который поможет вам в общении со справочником.

Возвращаясь к свойствам транзистора, отметим, что ток базы, измеряемый прибором Pr1, равен 91.7 мкА, а ток коллектора (Pr2) 9.17 мА. Результаты измерений в программе Qucs можно выводить в табличном виде, и приведенные данные я взял из таблицы. Отношение тока коллектора к току базы равно 100. Это и есть статический коэффициент усиления, который на схеме (рядом с транзистором) обозначен как Bf. Если изменить величину резистора R1, то ток базы изменится, а это приведет к изменению тока коллектора. Попробуйте изменить значение резистора R1 так, чтобы ток базы изменился незначительно, скажем, стал равен 90 мкА. Новое значение тока коллектора можно использовать для получения еще одного коэффициента – отношение разностей токов коллектора к разности токов базы называют динамическим коэффициентом усиления транзистора по току, если приращения токов небольшие.

Что мне в данный момент кажется самым важным? Что изменения тока базы вызывают пропорциональное изменение тока коллектора. При этом ток базы много меньше тока коллектора. То есть, транзистор усиливает изменения тока базы, но сохраняет закон, по которому ток базы меняется. Именно, благодаря этим свойствам, транзистор находит широкое применение в электронике в качестве основы разного рода усилителей, преобразователей и генераторов.

Вы можете убедиться, что те три закона электротехники, о которых мы говорили раньше, так же справедливы и сейчас. Ток от плюса источника питания разветвляется на коллекторный и базовый. Ток, подходящий к узлу ветвления, будет равен сумме токов в ветвях схемы, базовой и коллекторной. Падение напряжения на резисторе R2, складываясь с падением напряжения на транзисторе (между эмиттером и коллектором), даст величину, равную напряжению источника питания. Зная ток базы транзистора, проходящий через резистор R1, мы можем вычислить падение напряжения на этом резисторе и проверить прямым измерением напряжения, что оно почти равно напряжению питания. Если измерить падение напряжения между базой и эмиттером и прибавить его к падению напряжения на R1, то равенство будет точным, хотя это напряжение не очень велико, для кремниевого транзистора оно составит 0.5-0.7 вольт. Мало того, даже небольшие изменения этого напряжения будут вызывать значительное изменение тока базы, а, соответственно, пропорциональные ему изменения тока коллектора. Последнее, в свою очередь, приведет к существенным изменениям напряжения эмиттер-коллектор транзистора. То есть, можно говорить не только об усилении транзистором тока, но, в этой схеме, об усилении транзистором напряжения.

Биполярный транзистор имеет три вывода: базу, коллектор, эмиттер. В зависимости от того, какой из выводов используется в качестве общего, различают схемы включения транзистора с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Все три схемы включения обеспечивают усиление, но при одних способах включения осуществляется усиление по току, тогда как усиления по напряжению нет, в других случаях есть усиление и по напряжению, и по току. Чаще всего применяется включение транзистора с общим эмиттером, как это изображено на рисунке 1.28. Сигнал при таком включении подается на базу-эмиттер, а снимается с выводов эмиттер-коллектор. Общий вывод у входного и выходного сигнала – эмиттер, поэтому и схему включения называют схемой с общим эмиттером.

С помощью резистора R1 (рисунок 1.28) устанавливается рабочая точка транзистора на постоянном токе. Чаще всего этот резистор выбирают таким, чтобы напряжение эмиттер-

В.Н. Гололобов

Экскурсия по электронике

40

коллектор было равно половине напряжения питания. Зачем это делается? Многие полезные сигналы, о которых мы поговорим позже, симметричны относительно горизонтальной оси, как синусоидальный сигнал. Если, усиливая сигнал, мы нарушим эту симметрию, то получим другой сигнал, а это уже не усиление, и чаще всего нам этого не надо, но для получения максимального симметричного сигнала на выходе, начальное состояние выхода (на постоянном токе) тоже желательно иметь симметричным, то есть, напряжение должно быть равно половине напряжения питания.

Я уже говорил, что величина сопротивления зависит от температуры. Включив сопротивление в цепь постоянного тока и измеряя ток, проходящий через сопротивление, мы можем судить о температуре вокруг сопротивления. Изменения тока дадут нам информацию об изменении температуры. Разные материалы имеют разную чувствительность к температуре. Особенно сильно реагируют на температуру полупроводниковые материалы. Это их и полезное в одних случаях, и вредное при других обстоятельствах свойство. Резисторы, которые изготавливают для получения информации о температуре, так и называю терморезисторами.

Какое же вредное влияние оказывает температура на полупроводники?

Если в схеме на рисунке 1.28, которую мы тщательно наладили, получив напряжение эмиттер-коллектор точнехонько равным половине напряжения питания, подвергнуть транзистор воздействию температуры, на макетной плате его можно обдувать феном, то начальная рабочая точка (напряжение на выходе) сместится. Теперь напряжение эмиттерколлектор, сколько мы потратили труда!, уже не равно половине питающего напряжения. Фен, которым мы разогревали транзистор, дает представление о влиянии внешней температуры на рабочую точку транзистора. Но не надо забывать, что на любом сопротивлении, через которое протекает ток, мы говорили об этом, появляется падение напряжения и рассеивается мощность. Транзистор ведет себя также. На нем тоже рассеивается мощность, и для него тоже существует такой параметр, как допустимая мощность рассеивания. А образующаяся в процессе работы мощность, выделяемая в виде тепла, разогревает транзистор, смещая его рабочую точку. Для стабилизации рабочей точки транзистора применяют специальные схемные решения, о которых мы поговорим, когда будем говорить об усилителях. Эксперименты, например, по измерению влияния температуры можно проводить в программе Qucs. Если заглянуть в свойства транзистора, то можно обнаружить такой параметр, как температура. Изменяя этот параметр, добавив в схему на рисунке 1.28 вольтметр параллельно транзистору, можно увидеть изменение напряжения при изменении температуры.

Вообще, для любителей очень важно делать только то, что интересно. Не нравится вам разрабатывать собственные схемы, нравится повторять готовые, занимайтесь ими, но не забывайте, что далеко не всегда повторение готовой схемы сразу приводит к ожидаемым результатам. Важно хорошо понимать назначение и работу всех элементов схемы, а нет лучшего средства для этого, чем эксперименты с этими элементами. Часть из них лучше провести с паяльником в руках. Без этого не обойтись. Но подобные эксперименты, порой, требуют хорошего оснащения любительской лаборатории. Далеко не все могут позволить себе покупку всех необходимых приборов. Часть можно изготовить самостоятельно, но их настройка тоже требует наличия приборов, и образуется замкнутый круг, из которого трудно выбраться. В этом смысле компьютерные программы, подобные PSIM и Qucs оказываются очень полезны. Проводя ряд экспериментов за компьютером, можно найти то место, где опыты можно перенести на макетную плату, а работа будет обеспечена теми приборами, что есть в распоряжении любителя. Со временем парк приборов пополнится, а круг интересов и возможностей значительно расширится. Но и в этом случае не стоит пренебрегать теми возможностями и теми удобствами, что дают компьютер и программы.

Полупроводниковые диоды и транзисторы, область применения — КиберПедия

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выходами и одним электиронно-дырочным переходом

Полупроводниковые диоды применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники, силовой преобразовательной техники. Диоды большой мощности используются в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов

Полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными лампами: небольшие габариты, малую массу, высокий КПД, отсутствие накаливаемого источника электронов, большой срок службы, высокую надежность.

Важное свойство полупроводниковых диодов – односторонняя проводимость – широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов.

Диоды классифицируются по назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам (точечные и плоскостные), исходному полупроводниковому материалу.

По функциональному назначению различают полупроводниковые диоды: выпрямительные, импульсные, стабилитроны (опорные), фотодиоды, светоизлучающие диоды

1. выпрямительные предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный и используют свойство р-н перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствующие напряжения называют прямыми и обратными токами и напряжениями. различают низко и высокочастотные выпрямительные диоды. Первые применяют в преобразовательных устройствах энергетической электроники, вторые – для преобразования радиосигналов

2. импульсные предназначены для преимущественной работы в импульсных устройствах. Их свойства определяют параметры, учитывающие инерционность переключения диода: емкость перехода, интервал времени восстановления обратного сопротивления

3. стабилитроны предназначены для стабилизации постоянного напряжения и ограничения выбросов напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя р-н перехода при некоторых значениях обратного напряжения. Важным параметром является температурный коэффициент стабилизации напряжения.

В основу маркировки положен буквенно-цифровой код

— первая буква или цифра обозначает материал полупроводникового кристалла: 1или Г – германий; 2 – К – кремний;3-А – арсенид галлия

— вторая буква обозначат класс диода: Д- выпрямительный, Аи – СВЧ диоды, В – варикап, С- стабилитрон, И -туннельный диод;

-3 последующие цифры характеризуют тип или область применения 101-399 — выпрямление переменного тока, 401-499 – работа в высокочастотных или сверх частотных цепях, 501-599 — импульсные системы

— последняя цифра -обозначает конструктивные или другие особенности диода

Транзисторами называются активные полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими р-н переходами и тремя выводами, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний. (в связи, телевидении, радиолокации, радионавигации, автоматике, телемеханике, вычислительной и измерительной технике.)

Транзистор иметь трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводимости р-н-р или н-р-н Принцип действия транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных электрических зарядов из эмитерной области в коллекторную (крайние зоны) через базу (средняя зона). Назначением эмитерного перехода является инжекция (впрыскивание) основных носителей эмитерра в базовую область

Различают 4 режима работы транзистора:

— активный (переход эмиттер- база включен в прямом направлении а переход коллектор-база – в обратном)

—инверсный(переход эмиттер- база включен в обратном направлении а переход коллектор-база – в прямом)

-режим отсечки – оба перехода включены в обратном направлении

— режим насыщения — оба перехода включены в прямом направлении

Недостатком транзистора является относительно высокая нестабильность их параметров и характеристик. Причины нестабильности: влияние температуры окружающей среды, изменение параметров при старении с течением времени, разброс параметров в процессе изготовления однотипных транзисторов.

Транзисторы классифицируются по материалу, способу движения неосновных носителей в базовой области, мощности и частоте, назначению и способу изготовления

 

Лекция 3 Диод.Биполярный транзистор

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В современной электронной технике широко применяются полупроводниковые приборы, в которых используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении в материал IV группы периодической системы (в основном, германия и кремния) примеси из элементов III или V группы. В зависимости от вида примеси, получающиеся полупроводниковые материалы обладают либо электронной, либо дырочной проводимостью. В полупроводнике с электронной проводимостью (типа n) концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда, существенно превышает концентрацию неосновных носителей, дырок. В полупроводнике с дырочной проводимостью (типа p) основными носителями заряда являются дырки. Их концентрация существенно превышает концентрацию электронов, неосновных носителей зарядов.

1.1.Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой. Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1.1. Полупроводниковый диод: а— структурная схема,

б— схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р- слоем, катодный — с n- слоем, как показано на рис.1.1,а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1.1,б. Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 1.2,а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.1.2,а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис.1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а— при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б— при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис.1.2,а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 1.2,а).

На рис.1.2,б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого — бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис.1.2,а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис.1.2,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис.1.3,а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис.1.3,б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис.1.3,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз ) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис.1.3,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис.1.3,а является однополупериодной.

Рис.1.3. Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис.1.4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование

двойного электрического слоя в закрытом p—n переходе

На рис.1.4,а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис.1.4,б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе

• максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.2,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.3. Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Вид этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рис.1.5. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя, что схематически представлено на рис.1.6 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.1.6. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.6. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к нему должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока I (см. рис.1.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

Рис.1.7. Схемы включения биполярного транзистора

а — с общей базой, б — с общим эмиттером

На рис.1.6 и 1.7,а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I≈ I, эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.1.7,б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.1.7, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Транзистор Шоттки — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Транзистор Шоттки — электронный компонент, представляющий собой комбинацию из биполярного транзистора и диода Шоттки.

Транзистор Шоттки получается подключением диода Шоттки между базой и коллектором биполярного транзистора, причём для создания n-p-n транзистора Шоттки к биполярному n-p-n транзистору подключается диод Шоттки анодом к базе, а катодом к коллектору, а p-n-p транзистор Шоттки — подключением к биполярному p-n-p транзистору диода Шоттки катодом к базе и анодом к коллектору.

Диод Шоттки, благодаря своим свойствам обладает меньшим падением напряжения между анодом и катодом в открытом состоянии по сравнению с кремниевым диодом (0,2-0,3 В против 0,5-0,7 В) и его включение между базой и коллектором биполярного транзистора препятствует вхождению в насыщение в открытом состоянии — фактически здесь диод Шоттки осуществляет отрицательную обратную связь (ООС): чем сильнее открывается транзистор, тем больше уменьшается потенциал коллектора относительно земли и относительно базы, при этом увеличивается ток, протекающий через диод Шоттки, отводя базовый ток на землю и фиксируя напряжение база-коллектор на уровне 0,2-0,3 В, в открытом состоянии транзистор Шоттки находится в промежуточной области между активным режимом и насыщением, таким образом препятствуя двойной инжекции и накоплению зарядов, исключая задержку во времени, связанную с рассасыванием избыточных носителей при переключении из открытого в закрытое состояние. Кроме того сам диод Шоттки имеет высокое быстродействие при переходе из открытого в закрытого состояние, поскольку в нём нет процессов накопления носителей и все процессы не связаны с диффузией, а обусловлены только дрейфом в электрическом поле. В закрытом состоянии транзистора напряжение анод-катод диода смещает последний в обратное направление и никак не влияет на работу транзистора.

Транзистор Шоттки применяется в микросхемах транзисторно-транзисторной логики Шоттки (ТТЛШ), при этом быстродействие ТТЛШ гораздо выше обычной ТТЛ с многоэмиттерным транзистором.

Схема типового логического элемента 3И-НЕ ТТЛШ серии К555

Транзистор Шоттки на электрических принципиальных схемах имеет самостоятельный символ, который используют обычно вместо комбинации обозначений биполярного транзистора и диода Шоттки.

Обозначение на электрических принципиальных схемах бескорпусного транзистора Шоттки n-p-n типа.