Выпрямительные плоскостные диоды

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

С.В. СТОРОЖЕНКО

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

УДК 621.38 (075.80)

ББК 32.85

С 861

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ: Учебное пособие/ Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Сост. С.В.Стороженко. СПб. 2013. 141 с.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», бакалавров, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также для студентов специальности 130400 «Горное дело» по специализации «Электрификация и автоматизация горного производства», изучающих дисциплину «Физические основы электроники»» Содержание и последовательность изложения материала полностью соответствуют программе данного курса.

Научный редактор проф. А.Е.Козярук

Табл. 12. Ил. 87. Библиогр.: 4 назв.

Ó Национальный минерально-сырьевой

университет « Горный», 2013 г.

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – это область науки и техники, которая изучает физические процессы и характеристики полупроводниковых, электровакуумных и газоразрядных приборов, устройств и систем, основанных на применении этих приборов.

Электронные устройства и системы широко применяются для измерения, контроля и управления различными технологическими процессами, для преобразования и регулирования энергии.

Проектировать и создавать электронные приборы, системы должны, конечно, специалисты по электронике. Но грамотно сформулировать для них задачу на проектирование, описать алгоритм технологического процесса и эксплуатировать электронную систему должны инженеры практически всех специальностей.

В данном курсе рассмотрим физические основы электроники, знание которых необходимо каждому современному инженеру. В электронике следует выделить три основные области.

1. Электронные приборы.

2. Информационная электроника.

3. Преобразовательная техника.

К электронным приборам относятся полупроводниковые приборы, вакуумные и газоразрядные. Наибольшее применение в настоящее время находят полупроводниковые приборы. С начала 40-х годов, когда были разработаны первые полупроводниковые диоды и транзисторы, началось их широкое применение во всех областях науки и техники. Номенклатура этих приборов исключительно широка: от микросхем, где помещается 10⁷ элементов на одном кристалле, до силовых транзисторов на токи в килоамперы и напряжения в киловольты.

Информационная электроника, которой мы уделим наибольшее внимание, занимается устройствами контроля, передачи, обработки и отображения информации. К информационной электронике относятся усилители, генераторы, логические схемы, счетчики, индикаторы и другие элементы вычислительной техники.

Широкое развитие информационной техники началось в 60-е годы с началом эры микроэлектроники – раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем. Это дало с 70-х годов начало микропроцессорной технике.

Преобразовательная техника связана с преобразованием вида электрического тока для электропривода, электротехнологии, электротермии и т.д. Разработка новой полупроводниковой элементной базы существенным образом повлияла на развитие преобразовательной техники, где преобразование энергии на высокой частоте позволило создать новые экономичные устройства.

В данном курсе мы кратко остановимся на преобразовании электрической энергии малой мощности, рассматривая маломощные однофазные выпрямительные устройства и их работу на различные виды нагрузки. Преобразовательные устройства средней и большой мощности рассматриваются параллельно в рамках дисциплины “Преобразовательная техника”.

ПОЛУПРООДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые диоды

Работа полупроводниковых приборов основана на свойствах полупроводниковых материалов, которые по своим электрическим свойствам (удельной электрической проводимости) занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Полупроводниковые приборы изготавливаются главным образом из германия Ge или кремния Si. Эти элементы расположены в 4 периоде таблицы Менделеева.

При низких температурах чистые германий и кремний по своим свойствам стоят ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Электроны участвуют в построении тетраидальной кристаллической решетки, и свободных носителей заряда практически нет. По мере нагревания полупроводника часть валентных связей нарушается, электрон может оторваться от кристаллической решетки. Это приведет к одновременному образованию двух носителей заряда – электрона и дырки. Дырка – это положительный ион, способный принять на свободную валентную связь электрон. Дырка ведет себя подобно частице с единичным положительным зарядом ,– она захватит электрон другого атома, и благодаря этому появится дырка в другом узле кристаллической решетки, что можно расценивать как перемещение первой дырки по полупроводнику.

Чистые полупроводники практического интереса не представляют. Введение в чистый кристалл некоторого количества примесей существенно меняет его свойства. Если в кремний внести атом пятивалентной сурьмы, то четыре ее валентных электрона будут участвовать в построении кристаллической решетки, а пятый будет слабо связан с ядром и уже при комнатной температуре оторвется от ядра и сделается свободным.

Получим новый полупроводник, в котором будет избыток свободных носителей заряда – электронов. Такие полупроводники называются полупроводниками n – типа. Основными носителями в них являются свободные электроны. Дырки для таких полупроводников являются неосновными носителями. Примесь, внесенная в полупроводник и вызвавшая электронную проводимость, называется донором.

Если, например, в кремний внести трехвалентный индий, то в новом полупроводнике будет избыток носителей заряда – дырок. Такой полупроводник называется дырочным, или полупроводником p – типа, а соответствующие примеси – акцепторными. Дырки в p – полупроводнике будут основными носителями, а появившиеся за счет собственной проводимости электроны – неосновными.

Проводимость вещества зависит от наличия в нем основных носителей. Для образования определенного типа полупроводника (n или p) требуется очень маленькая доза примеси: примерно один атом примеси на 10⁸ атомов основного полупроводника.

Выпрямительные плоскостные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, имеющий один p-n-переход и два внешних вывода, действие которого основано на том или ином свойстве p-n-перехода. Все существующие диоды можно классифицировать по исходному материалу, по технологии изготовления, по площади p-n-перехода и его особенностям, по назначению. По исходному материалу различают германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и др. По технологии изготовления и площади p-n-перехода различают точечные и плоскостные диоды. Площадь p-n-перехода у в точечном диоде не превышает 40 мкм². Площадь плоскостных p-n-переходов лежит в пределах от сотых долей мкм² до десятков см². В зависимости от назначения и физических свойств различают: выпрямительные диоды, стабилитроны, импульсные, высокочастотные туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды и др. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Выпрямительный диод работает на вентильном свойстве (свойстве односторонней проводимости) p-n-перехода, предназначен для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительного диода это работа p-n-перехода в прямом и обратном направлении. Остановимся на этом несколько подробнее. Если имеем кристалл полупроводника, одна часть которого имеет p-проводимость, другая – n-проводимость, то на границе происходит диффузия основных носителей заряда, т.е. дырок из p-области и электронов из n-области. В результате диффузии на границе p-области образуется отрицательный пространственный заряд, n-области – положительный пространственный заряд. Другими словами на границе полупроводников с разной проводимостью образуется область, лишенная основных носителей заряда. Эта область и называется p-n-переходом (рис 1.1, а).

В p-n-переходе создается электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и вызывает дрейф неосновных носителей заряда. В результате при отсутствии внешнего поля результирующий ток через p-n-переход равен нулю

.

Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов, численно характеризующейся высотой потенциального барьера .

Если приложить внешнее напряжение в прямом направлении (рис. 1.1, б), область p-n-перехода сужается, высота потенциального барьера уменьшается ( ). Ток диффузии возрастает, ток дрейфа практически не изменяется, динамическое равновесие нарушается и возникает прямой ток.

При обратном включении диода (рис. 1.1, в) область p-n-перехода расширяется, высота потенциального барьера увеличивается ( ). Ток диффузии стремится к нулю, ток дрейфа не изменяется, даже может несколько возрастать благодаря увеличению . В результате возникает малый обратный ток I_обр практически равный току дрейфа I_др. на рис. 1.2. представлены условное обозначение и ВАХ выпрямительного диода, прямая и обратная ветви которой изображаются, как правило, в различных масштабах, т.к. I_обр на несколько порядков меньше I_пр. При обратном напряжении, большем в p-n-переходе возникает пробой, вызывающий резкое увеличение . Различают электрический (туннельный и лавинный) и тепловой пробой. Электрический пробой обратим, т.е. при уменьшении свойства p-n-перехода восстанавливаются, тепловой пробой необратим. Допускаемый выпрямленный ток определяется нагревом диодов.

По величине выпрямительные диоды делятся: на маломощные , средней мощности и мощные . По частотному диапазону – делятся: на низкочастотные ( ) и высокочастотные ( ).

В качестве исходного материала при изготовлении диодов применяют Ge и Si, но Si предпочтительнее (рис. 1.2, кривые 1,2), т.к. кремниевые диоды могут работать при большей температуре, выдерживают большие обратные напряжения, имеют большую плотность тока, имеют лучшие вентильные свойства ( кремниевого диода на 2 порядка меньше германиевого).

Как следует из рис. 1.2. выпрямительный диод обладает различным сопротивлением при работе в прямом и обратном включении. Сопротивление диода легко определяется по ВАХ. Различают статические и динамические сопротивления. Динамическое сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как отношение катетов треугольника, построенного в заданной рабочей точке ВАХ (рис. 1.2, кривая 2)

.

Статическое сопротивление численно равно отношению напряжения на диоде к протекающему через него току и может быть определено графически как котангенс угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ к оси абсцисс (рис. 1.2, кривая 1). В зависимости от того, на каком участке ВАХ будет выбрана рабочая точка может быть меньше, равно или больше . В любом случае прямое сопротивление в единицах Ом, - в тысячах кОм.

Основные параметры выпрямительных диодов: - максимальное значение среднего (за период) прямого тока диода; - прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе ; - допустимое обратное наибольшее значение напряжения

(надежную работу обеспечивают при рабочих напряжениях ); - максимальная допустимая частота.

Далее приведены параметры некоторых кремниевых выпрямительных диодов (см. табл.1.1).

Таблица 1.1

Кремниевый стабилитрон

Кремниевый стабилитрон – это, как правило, кремниевый диод, работающий в режиме электрического (туннельного, лавинного) пробоя p-n-перехода и служащий для стабилизации напряжения в цепи постоянного тока. ВАХ кремниевого стабилитрона имеет вид (рис. 1.3). Отличительной особенностью этой характеристики является относительное постоянство напряжения на диоде после наступления электрического пробоя при больших изменениях тока. Напряжение пробоя и есть напряжение стабилизации.

Кремниевый стабилитрон включается параллельно нагрузке, на которой поддерживается постоянное напряжение, и через балластное сопротивление к источнику входного напряжения. Схема включения стабилитрона и его условное обозначение в электрических схемах приведены на рис. 1.4.

Постояннство напряжения можно объяснить следующим образом. Высокая концентрация примесей по обе стороны p-n-перехода приводит к увеличению контактного напряжения перехода и уменьшению ширины запирающего слоя. Поэтому уже при относительно низких напряженность электрического поля в запирающем слое оказывается достаточной для возникновения пробоя. Изменяя концентрацию примесей можно менять напряжение пробоя . Напряжение современных стабилитрона лежит в пределах от 1 до 180 В. Основные параметры кремниевого стабилитрона: напряжение стабилизации , динамическое сопротивление на участке стабилизации (качество стабилизации тем выше, чем меньше ). Минимальное и максимальное значения тока стабилизации , температурный коэффициент напряжения , который показывает

на сколько изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 ⁰С; максимально допускаемая рассеиваемая мощность .В табл. 1.2 приведены усредненные параметры стабилитронов, где P – мощность, рассеиваемая на стабилитроне.

Таблица 1.2

Стабисторы

Для стабилизации низких напряжений используется прямая ветвь вольт–амперной характеристики кремниевых диодов, для которых стабильное прямое падение напряжения составляет 0,7 В. Последовательное включение таких диодов позволяет получить напряжение стабилизации 1,4...2,1 В и т.д. В качестве стабисторов используются диоды Д219С, Д220С и т.д.

Светодиод

Светодиод – полупроводниковый диод, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическую. Известно, что при пропускании прямого тока через p-n-переход учащаются акты рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону. Это сопровождается излучением кванта энергии. При определенном подборе материала, из которого изготавливается диод, излучаемая оптическая энергия может находиться в видимой части спектра. Исходным материалом для изготовления светодиода служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделенной в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения приходится порядка 10-20 %, поэтому кпд светодиода не велик. Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов.

Конструкция диода обеспечивает передачу света от p-n-перехода без значительных потерь в теле полупроводника. Светодиод работает при подаче напряжения в прямом направлении. Схема включения, ВАХ и условное обозначение светодиода показаны на рис 1.5.

1.1.4. Туннельный диод

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, использующий туннельный эффект для переноса носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Это высокочастотный прибор, применяется как маломощный генератор и усилитель высоких частот, находит применение в ключевых схемах автоматики. Изготавливаются эти приборы из германия и арсенида галлия. ВАХ туннельного диода и его условное обозначение показаны на рис. 1.6.

Как следует и рис. 1.6, а) односторонняя проводимость у диода полностью отсутствует. При отрицательном напряжении ВАХ линейна, проходит через начало координат и несколько «прижата» к оси ординат. В прямой ветви характеристики наблюдается падающий участок, которому соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление (участок ab) и причиной которого является туннельный эффект – эффект прохождения носителей заряда через туннели в p-n-переходе без преодоления потенциального барьера. Пояснить ВАХ можно следующим образом. В туннельном диоде концентрация примесей очень высокая ( ), за счет этого ширина p-n-перехода чрезвычайно мала и доходит до сотых долей микрона, в результате чего расстояние между ионами доноров (n-полупроводник) и ионами акцепторов (p-полупроводник) становится меньше, чем расстояние между ионами только доноров и ионами только акцепторов. В результате электрическое поле в p-n-переходе крайне неравномерно и напряженность поля велика. Максимум напряженности достигается на участках перехода донор-акцептор, минимум напряженности – в пространстве между узлами кристаллической решетки. Именно там и образуются туннели, в которых напряженность близка к нулю, и носители зарядов могут через туннели свободно проходить из «p» области в «n» и наоборот. При отсутствии внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. При подаче малого напряжения (участок 0а) под действием внешнего поля устанавливается чисто туннельный ток основных носителей. В точке a происходит насыщение туннелей, и дальнейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока (участок ab).

Причин этого две:

1. Из-за высокой концентрации дырок и электронов в туннелях увеличивается количество актов рекомбинации, что приводит к уменьшению числа носителей заряда.

2. Из-за насыщения часть носителей вытесняется из туннелей в поле p-n-перехода, которое направлено навстречу внешнему полю, поэтому эти носители меняют направление движения и, сталкиваясь с нейтральными атомами решетки, вызывают лавинный ток. Лавинный ток направлен навстречу туннельному, что тоже уменьшает общий ток. При дальнейшем увеличении напряжения (участок bc) внешнее поле ослабляет поле p-n-перехода, потенциальный барьер снижается, лавинный ток прекращается, туннели расширяются, и к туннельному току добавляется диффузионный ток основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика (рис. 1.6) ; отношение тока пика к току впадины которое находится в диапазоне от 5-20 (чем оно выше, тем диод лучше); среднее значение отрицательного сопротивления

.

Диоды Шоттки

Рис.1.7 Диод Шоттки а) условное обозначение; б) конструкция

Это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника. В диодах Шоттки (ДШ, рис.7) накопления неосновных носителей не происходит, так как перенос тока в них обусловлен переходом основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому время включения (восстановления) очень мало (до 0,1 нс). Другое достоинство ДШ состоит в том, что для его отпирания требуется напряжение 0,2...0,4 В, что позволяет их использовать в электронных устройствах с биполярными транзисторами, повышая быстродействие последних. Кроме того, микросхемы с транзисторами с ДШ потребляют значительно меньшую мощность, чем аналогичные схемы с обычными транзисторами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды – это полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов и предназначенные для применения в импульсных режимах работы. Обычно они работают при больших сигналах.

При подаче на диод прямого напряжения ток устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление инжектированных неосновных носителей. Передний фронт получается искаженным. Однако этот процесс протекает быстро и не имеет столь большого значения, как переходные процессы при восстановлении обратного тока.

При переключении диода с прямого на обратное напряжение в начальный момент наблюдается большой обратный ток, который тем больше, чем больше был прямой ток перед подачей обратного напряжения. При подаче обратного напряжения инжектированные носители рекомбинируют или уходят через переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения I._нас Для импульсных диодов вводится параметр – время восстановления обратного сопротивления или тока t _вос , равное интервалу времени между моментом переключения диода с прямого на обратное напряжение и моментом, когда обратный ток достигнет заданного значения.

По этому параметру импульсные диоды подразделяются на две группы:

1) скоростные, или микросекундные, с 0,1 мкс<tвос.<0,1 мс,

2) сверхскоростные, или наносекундные, tвос.<0,1 мкс.

Тиристоры

Тиристоры широко применяются при создании управляемых выпрямителей, инверторов, как ключевые элементы в различных устройствах автоматики и регулирования.

Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор

p–n–p–n, т.е. прибор с тремя p–n–переходами (рис.1.8). Наружный слой р₁ является анодом А, а наружный слой n₂–катодом К. К промежуточному слою р₂подведен управляющий электрод У.

Тиристор – это полупроводниковый вентиль ключевого типа. Он имеет два рабочих состояния: “включено”, когда его сопротивление может быть принято равным нулю, и “выключено”, когда его прямое сопротивление принимается равным бесконечности. Поэтому он называется прибором ключевого типа. Тиристор приводится в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса тока положительной полярности, когда к его аноду приложено положительное напряжение. Время включения тиристора в зависимости от его типа составляет от 1 до 25 мкс. После включения тиристора импульс управления можно снять, вентиль остается в открытом состоянии. Открытый тиристор становится неуправляемым по цепи управления, и выключить его, подняв минус на управляющий электрод, нельзя.

Для прекращения состояния проводимости тиристора необходимо снизить напряжение источника анодного питания практически до нуля. Время выключения составляет от 10 до 250 мкс.

Рис. 1.8 Схема включения и ВАХ тиристора

Вольт–амперная характеристика тиристора представлена на рис.1.8. Построение выполнено для трех значений тока управления I_у1> I_у= 0. Обратная ветвь вольт–амперной характеристики тиристора аналогична обратной ветви вольт–амперной характеристики полупроводникового диода и не зависит от тока управления I_у. При прямом анодном напряжении U_пр вольт–амперная характеристика имеет две резко отличающиеся области. Одна из них соответствует запертому состоянию тиристора (горизонтальный участок характеристики), в котором его анодный ток очень мал (измеряется единицами или долями миллиампера), из за чего все напряжение источника анодного питания оказывается приложенным между катодом и анодом тиристора. Вторая область прямой ветки вольт–амперной характеристики соответствует открытому состоянию тиристора (вертикальный участок характеристики).

Процесс перехода от запертого состояния к состоянию высокой проводимости называется включением (или переключением) тиристора, анодное напряжение, при котором происходит этот процесс, называется напряжением переключения U_пер.

После переключения напряжение на тиристоре снижается примерно до 1 В. Ток тиристора в этом случае ограничивается практически только сопротивлением нагрузки I_a=E_a/R_a. С ростом тока управления напряжение переключения тиристора уменьшается. Ток управления, при котором в прямой ветви вольт–амперной характеристики исчезает область запирания, называется током управления спрямления I_{у спр}. При I_{у спр} вольт–амперная характеристика тиристора спрямляется, приобретает такой же вид, какой имеет вольт–амперная характеристика полупроводникового диода. Напряжение включения при I_у=I_{у спр} близко к нулю.

В реальных схемах тиристор управляется током I_у>I_{у спр}, что обеспечивает быстрое и надежное включение тиристора практически при любом прямом напряжении на тиристоре.

Для уяснения принципа действия тиристора представим себе, что мы снимаем его вольт – амперную характеристику. Сначала будем ее снимать при токе I_у=0, для чего увеличиваем прямое напряжение Е_а (см. рис.1.8). Так как плюс подается на слой р₁, а минус – на n₂, то переходы 1 и 3 открыты, а переход 2 закрыт. Поэтому все прямое напряжение приложено к переходу 2. Переход 2 выдерживает довольно высокое напряжение, которое в зависимости от типа тиристора может достигать многих сотен вольт. В переходе 2 действует электрическое поле высокой напряженности, которое определяется напряжением источника Е_а и незначительной шириной перехода.

При значительной напряженности электрического поля в переходе 2 образуются электронно–дырочные пары за счет столкновения неосновных носителей, протекающих через переход (дырки из p₁ и электроны из n₂), с атомами кристаллической решетки. Это приводит к дальнейшему увеличению тока. При определенной напряженности электрического поля в переходе 2 (т.е. при определенном напряжении Е_а) описанный процесс развивается лавинообразно, и тиристор переходит в открытое состояние. При подаче на p₂ положительного напряжения (I_у>0) увеличивается инжекция электронов из n₂ через переход 3 в p₂. В тиристоре протекают описанные выше процессы, но с большими токами неосновных носителей через переход 2. Это приводит к уменьшению необходимой напряженности электрического поля в переходе 2 для образования дополнительных носителей за счет столкновения с атомами решетки. В конечном счете, лавинообразное нарастание тока через тиристор происходит при меньшем напряжении Е_а, т.е. при меньшем напряжении переключателя U_пер.

В настоящее время тиристоры выпускаются на токи до сотен ампер и напряжения более двух киловольт. Например, тиристор ТЧ125 (тиристор частотный) имеет следующие основные параметры:

– средний выпрямляемый ток I_ср=125 А;

– прямое и обратное напряжение до 1200 В;

– время выключения t_выкл<30 мкс.

Динисторы

Динистор – четырехслойный полупроводниковый прибор

p–n–p–n. Это вентиль, который начинает проводить ток при достижении прямым анодным напряжением значения напряжения включения U_вкл.

Динистор отличается от тиристора отсутствием управляющего электрода. Фактически динистор – это тиристор, включаемый по “аноду”, т.е. при отсутствии тока управления и возрастании анодного напряжения. Физические процессы в p–n–переходах протекают так же, как в тиристоре при I_у=0. Прямое падение напряжения на открытом динисторе составляет примерно 1,5 В. Чтобы включить динистор, надо прямое напряжение на открытом динисторе снизить практически до нуля. .

Динистор осуществляет функции порогового устройства, реагирующего на определенную величину прямого анодного напряжения.

Отечественная промышленность выпускает динисторы на напряжения включения от 20 до 150 В и постоянный прямой ток 0,2 А. Например, динистор КН102А имеет напряжение включения 20 В.

Контрольные вопросы

1. Какими основными свойствами обладает р – n –переход и в каких диодах они проявляются?

2. Какие виды пробоя различают?

3. Чем принципиально отличаются друг от друга электрический и тепловой пробои?

4. Как зависит ширина запирающего слоя p – n перехода от приложенного напряжения?

5. На каком принципе работает кремниевый стабилитрон?

6. Чем отличается динистор от тиристора?

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Транзисторомназывают трехэлектродный полупроводниковый прибор, служащий для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Различают два типа транзисторов: биполярныеи полевые(униполярные). Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков: электронов и дырок. Термин же транзистор происходит от английских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление, т.е. в транзисторах происходит изменение сопротивления под действием управляющего сигнала.

На рис. 2.1 показана структура биполярного транзистора и его условное обозначение на принципиальных электрических схемах. Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа «p» и «n», между которыми образуются два p-n-перехода. В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяют на два типа: p-n-p, рис. 2.1, а и n-p-n , рис. 2.1, б. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип электропроводности, база соединяется со средней областью. На переход «эмиттер – база» напряжение питания подают в прямом направлении, а на переход «база – коллектор» - в обратном направлении.

Рассмотрим более подробно работу биполярного транзистора типа p-n-p. При подключении эмиттера транзистора типа p-n-p к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток I_э рис. 2.2. Стрелкой указано движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Так как напряжение питания коллектора во много раз (приблизительно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, то электрическое сопротивление цепи базы получается высоким и ток, ответвляющийся в цепь базы I_б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток I_к.

	Рис. 1.2.2. Принцип действия биполярного транзистора

Ток коллектора I_к превосходит ток базы I_б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала. Если подавать напряжение сигнала в цепь базы, то будет изменяться сопротивление p-n-перехода между эмиттером и базой. Это сопротивление включено в коллекторную цепь, поэтому его изменение приводит к соответствующему изменению тока коллектора, который во много раз больше тока базы. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа n-p-n точно такой же, как у рассматриваемого транзистора типа p – n – p

12
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒