Частотные свойства транзисторов
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости очень большое, коллекторное сопротивление также очень велико и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток в резисторе соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются выходное напряжение и выходная мощность.
Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттер-ного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах. Практически на менее высоких частотах емкость, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора, на который могла бы влиять емкость, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости в большинстве случаев можно не рассматривать.
Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-p-n, совершают в базе диффузионное движение и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах получается порядка 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но при частотах порядка единиц и десятков мегагерц и выше оно вызывает заметный сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера. За счет такого сдвига фаз на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току.
Обозначим коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером в, а коэффициент усиления по току для схемы с общей базой б.
При повышении частоты в уменьшается значительно сильнее, чем б. Коэффициент б снижается от влияния емкости, а на величину в влияет еще и сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.
Принято считать предельно допустимым уменьшение величин б и в на 30 % по сравнению с их значениями на низких частотах.
Те частоты, на которых получается такое снижение усиления, называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером.
Помимо предельных частот усиления, транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации, при которой коэффициент усиления по мощности каскада снижается до 1.
На высоких частотах происходит не только изменение величин б и в. Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания зарядов в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяют свою величину и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.
Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше
Динисторы
Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода.
Вывод от внешней зоны n2 называют катодом, а от зоны p1 – анодом. Зоны n1 и p2 носят название баз динистора. Переход между зонами p1, n1 и p2, n2 именуют эмиттерным, а между зонами n1 и p2 – коллекторным переходом.
Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое отрицательное напряжение, а к катоду положительное напряжение, то центральный коллекторный переход будет открыт, а крайние эмиттерные переходы станут закрыты. Зоны n1 и p2 не могут преодолеть, поступающие из анода и катода основные носители зарядов, а, следовательно, они не достигнут базы динистора. В результате через динистор течёт небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, и динистор закрыт. Если к аноду динистора приложим очень большое отрицательное напряжение, а к катоду – высокое положительное напряжение, то произойдёт лавинный пробой.
I – участок открытого состояния динистора, на котором его проводимость высока;
II – участок отрицательного сопротивления;
III – участок пробоя коллекторного перехода;
IV – участок в прямом включении, на котором динистор заперт, и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения пробоя;
V – участок обратного включения динистора;
VI – участок лавинного пробоя.
Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое положительное напряжение, а к катоду незначительное отрицательное напряжение, то коллекторный переход будет закрыт, а эмиттерные переходы станут открыты. Носители зарядов поступают из области катода n2 в зону p2 (электроны), а из области анода p1 в зону n1 (дырки). В указанных зонах баз носители заряда уже станут неосновными, и в результате в этих зонах возникает рекомбинация носителей зарядов, и из-за неё концентрации свободных носителей зарядов станут меньше. Поле коллекторного перехода будет ускоряющим для ставших неосновными носителей заряда, которые ввиду инжекции его преодолевают и оказываются в зонах, где они вновь будут основными. В областях p1 и n2 эти носители зарядов снова станут неосновными и вновь рекомбинируют. По причине рекомбинаций носителей зарядов проводимость динистора на участке IV мала и протекающий через него обратный ток также мал.
Если начать увеличивать постоянное напряжение, прикладываемое к динистору в прямом включении, то возрастает ширина коллекторного перехода и скорость носителей заряда, и становятся меньше интенсивности рекомбинаций, а прямой ток через динистор медленно возрастает. Чем больше будет прямое напряжение, тем интенсивнее станет ударная ионизация, порождающая новые носители заряда, что при определённом напряжении включения приведёт к лавинному пробою коллекторного перехода. Пробой сопровождает резкое увеличение проводимости динистора в прямом включении. Динистор открывается, и на нём будет падать небольшое остаточное напряжение.
Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.
Тринисторы
Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние. В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом. Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние.
На рисунке обозначено:I – участок, на котором тринистор открыт;
II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;
III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;
IV – участок обратного включения динистора
Когда через управляющий электрод протекает отпирающий ток, возрастает скорость носителей заряда, которые инжектируются через коллекторный переход, что инициирует принудительное отпирание тринистора. После включения незапираемый тринистор не реагирует на изменение силы тока управляющего электрода. Чтобы закрыть тринистор, необходимо уменьшить силу тока, протекающего по аноду и катоду, ниже тока удержания, либо поменять полярность напряжения, приложенного между анодом и катодом. Если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор. В незапираемых тринисторах управляющий электрод занимает небольшой участок кристалла полупроводника, ориентировочно в несколько процентов.
Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.
Вакуумный фотоэлемент
Вакуумный фотоэлемент представляет собой электровакуумный прибор, внутри которого находятся два электрода – анод А и катод К (рис. 32а). Свет, падающий на катод, вырывает из его поверхности электроны, что приводит к увеличению тока, протекающего в цепи и напряжения на резисторе R. Изменение тока, текущего через фотоэлемент при его освещении можно использовать для включения и выключения различных устройств. Чтобы увеличить чувствительность фотоэлемента, поверхность его катода покрывают веществом с малой работой выхода.
Поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках приводит к росту их электрической проводимости. Это явление, называемое внутренним фотоэффектом, используется при изготовлении фоторезисторов, сопротивление которых может уменьшаться в сотни и тысячи раз при их освещении. Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные фотоэлементы. Фоторезисторы незаменимы в автоматах для сортировки, счета и контроля качества готовой продукции. Они используются в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты и контроле за количеством листов. Фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль за задымленностью различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене - вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.
Солнечная батарея (или батарея солнечных элементов) является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников (рис. 32б). Под действием света по обе стороны от p-n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p-n перехода перемещает электроны из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, причём полупроводник p-типа становится ещё более электроположительным, и в цепи появляется ток. ЭДС, возникающую в области p-n перехода под действием света, называют фотоЭДС.
Чаще всего материалом для солнечных элементов служит Si или GaAs. Солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из солнечных элементов, защищённых прозрачными покрытиями. КПД солнечных элементов может достигать 20%. Как известно, плотность потока солнечного излучения в безоблачный день вблизи экватора составляет около 1000 Вт/м2. Поэтому мощность тока, которую можно получить с помощью солнечной батареи, площадь панелей которой равна 1 м2, не превышает 200 Вт. Чтобы солнечная батарея имела мощность, достаточную для снабжения электроэнергией семьи из нескольких человек, площадь её панелей должна составлять 10-20 м2. Солнечные батареи находят своё применение не только на Земле, но и в космосе, где служат основным источником энергии для аппаратуры и системы жизнеобеспечения спутников и межпланетных кораблей.
Б рисовать не нужно
Ионный фотоэлемент
Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.