Физические основы электроники

Министерство образования Российской Федерации Томский Политехнический Университет

В. П. Петрович

Физические основы электроники Учебное пособие

Томск 2000

УДК 621. 38/39. Петрович В.П. Физические основы электроники. Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ. 2000. – 152 с. Учебное пособие «Физические основы электроники» предназначено для студентов направления 55.13.00 «Электротехника, электромеханика и электро-технологии». Основные разделы курса посвящены изу-чению физических процессов в современных полупро-водниковых приборах, причем, основной упор делается на изучение элементов силовой электроники, а также особенностей их работы в преобразовательных устрой-ствах средней и большой мощности. Большой объем материала посвящен вопросам практического примене-ния силовых полупроводниковых приборов в различных устройствах, входящих в состав современных систем электромеханики. Учебное пособие подготовлено на кафедре «Электрооборудование и электротехника» ТПУ.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета. Рецензенты: Лукутин Б.В. – зав. кафедрой электроснабжения промпредприятий Томского поли-технического университета, профессор, доктор технических наук. Целебровский И.В. – зав. отделом НИИ автоматики и электромеханики г. Томска, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Темплан 2000

© 2

Томский политехнический университет, 2000

Введение. Электроника представляет собой обширную область техники, базирующуюся на изучении физических явлений в полупроводниках, диэлектриках, вакууме, газе, плазме и т.д. для создания на их основе разнообразных изделий с электронными компонентами. Электроника прочно вошла в самые различные сферы нашей деятельности; область применения различных электронных устройств просто огромна: от наручных электронных часов до телевизора и радио-приемника; от электронного зажигания в автомобилях до сложнейших автоматических технологических линии; от бытовых нагревательных приборов (микроволновые печи) до сверхмощных компьютеров. Особую роль электроника играет в современных системах электромеханики, где основным составным элементом является электрическая машина. Непрерывное развитие теории электрических машин, технологии их производства, электротехнического материаловедения позволило достичь такого уровня, когда уже трудно рассчитывать на получение принципиально новых электромеханических характеристик или принципиально новых свойств электрической машины. Безусловно, электрические машины будут совершенствоваться и в дальнейшем, но при этом их принципиальные особенности останутся такими же, как и на заре электротехники. Только синтез электрических машин и устройств силовой электроники позволяет придать принципиально новые свойства всей электромеханической системе, поднять ее на качественно новый уровень. В качестве примера можно привести бесконтактную электрическую машину постоянного тока (БМПТ), в которой традиционный щеточно-коллекторный узел со скользящим контактом, являющийся наиболее уязвимым звеном в конструкции электрической машины, заменен специальным бесконтактным электронным коммутатором, что позволило расширить область применения таких машин и существенно улучшить их эксплутационные показатели. Другим примером может служить электромеханическая система на основе трехфазного асинхронного электродвигателя, включающего в себя еще и силовой электронный преобразователь, обеспечивающий изменение частоты питающего напряжения электродвигателя, а следовательно, и его скорость вращения, в заданном диапазоне. С помощью специальных электронных устройств можно придать электродвигателям любые желаемые характеристики, обеспечить наиболее благоприятное протекание переходных процессов, преобразовать электрическую энергию из одного вида в другой и решать целый ряд других задач, которые другими способами либо вообще не решаются, либо решаются со значительно большими затратами. Поскольку данное учебное пособие предназначено, в основном , для студентов направления 55.13.00 (Электротехника, электромеханика и электротехнологии), то основное внимание будет уделено электронным и полупроводниковым приборам большой мощности, применяемых в устройствах силовой электроники и систем электромеханики.

3

ГЛАВА I Физические основы работы полупроводниковых приборов. Современные электронные устройства, для того, чтобы отвечать требованиям миниатюризации и микроминиатюризации, строятся, в основном на полупроводниковых приборах. Как известно из курса физики (раздел физики твердого тела), по способности проводить электрический ток все твердые тела подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. Границы между ними весьма условны и принято считать, что удельная электрическая проводимость σ составляет: 1 Ом ⋅ М

-

σмет=107-103

Для полупроводников -

σп/п=103-10-8

1 Ом ⋅ М

Для диэлектриков

σдиэл=10-8-10-15

1 Ом ⋅ М

Для металлов

-

Характерными особенностями полупроводников является резко выраженная зависимость удельной электропроводности σ от температуры, от количества и природы вводимых примесей, а также ее изменение под влиянием электрического поля, света, ионизирующего излучения и других факторов. В кристаллических твердых телах ядра атомов образуют кристаллическую решетку, обладающую свойством пространственной периодичности. Они удерживаются силами притяжения в равновесных точках – узлах кристаллической решетки и могут совершать колебательные движения около этих точек. Причем с увеличением температуры возрастает частота и амплитуда этих колебаний. В соответствии с электронной теорией строения вещества атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов, причем количество электронов равно заряду ядра, поэтому атом является электрически нейтральным. Однако при определенных условиях электроны с наружных электронных оболочек могут покидать свои орбиты и становиться свободными носителями электрического заряда. Они хаотически движутся внутри кристаллической решетки и представляют собой так называемый электронный газ. Электроны при своем движении сталкиваются с колеблющимися в узлах кристаллической решетки 4

атомами, а в промежутках между столкновениями они движутся прямолинейно и равномерно, Расстояние, проходимое электроном между двумя соударениями, называют длиной свободного пробега. Хаотическое движение электронов при отсутствии электрического поля не создает электрического тока. Если теперь к этому твердому телу приложить электрическое поле, то возникает направленное движение электронов вдоль силовых линий этого поля. Поэтому на длине свободного пробега lср электроны приобретают добавочную составляющую скорости и средняя их скорость движения будет υср , которая называется дрейфовой скоростью. Дрейфовая скорость электронов мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения в обычных условиях. Плотность дрейфового тока

j = q⋅ n ⋅ υср,

(1) 3

где: n - концентрация электронов ( их количество в 1 см ) q- заряд электрона Дрейфовая скорость, приобретаемая электроном в поле единичной напряженности E = 1

B называется подвижностью: Cм

μ=

υср

E .

(2)

Поэтому плотность дрейфового тока

j = q ⋅ n ⋅ μ⋅ E

(3)

А удельная электрическая проводимость σ равна отношению плотности дрейфового тока к величине напряженности электрического поля E :

j σ= = q⋅ n ⋅ μ , E

(4)

то есть электропроводность твердого тела зависит от концентрации носителей электрического заряда n и от их подвижности μ . В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные дискретные или квантованные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости. Поэтому электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным орбитам. Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона или энергетический уровень. Энергетические уровни отделены друг от друга запрещенными интервалами. Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов, причем спины этих 5

электронов должны быть противоположны. В невозбужденном состоянии электроны в атоме находятся на ближайших к ядру орбитах и в таком состоянии находятся до тех пор, пока какое-либо внешнее воздействие не сообщит атому добавочную энергию. При поглощении энергии атомом какойлибо электрон может перейти на один из более высоких свободных уровней, либо вовсе может покинуть атом, став свободным носителем электрического заряда, а атом при этом превращается из нейтрального в положительно заряженный ион, В отличие от газа соседние атомы в твердых телах так близко находятся друг к другу, что их внешние электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются. В результате этого в твердых телах происходит смещение и расщепление энергетических уровней электронов. Образуется единая верхняя разрешенная зона, а другие разрешенные зоны могут быть заполнены либо полностью, либо частично. Разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры все энергетические зоны заняты электронами, называется валентной. Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны является основным параметром, характеризующим твердое тело. Подобно тому, как в отдельном атоме электроны могут переходить с одного энергетического уровня на другой свободный уровень, электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри разрешенной зоны при наличии в ней свободных уровней, а также переходить из одной разрешенной зоны в другую, Плотность уровней в разрешенных зонах очень велика, поэтому для перемещения электрона с одного уровня на другой внутри разрешенной зоны требуется очень малая энергия, порядка 10-8-10-4 эв, что может быть следствием тепловых колебаний атомов; ускорений электронов даже под действием слабых внешних электрических полей; попадания в атом кванта световой энергии - фотона, а также ряда других видов внешних воздействий. Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию, равную ширине запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, так как энергия, приобретаемая электроном, движущимся ускоренно на длине свободного пробега, недостаточна для преодоления запрещенной зоны. Таким образом, способность твердого тела проводить ток под действием электрического поля зависит от структуры энергетических зон и степени их заполнения электронами. Необходимым условием возникновения электрической проводимости в твердом теле является наличие в разрешенной зоне свободных или не полностью занятых энергетических уровней.

6

Так в металлах зона проводимости частично заполнена и под действием Зона проводитемпературы электроны мости могут переходить из пол(свободная) ЕП ностью заполненных зон в ЕЗ зону проводимости. ОднаЗапрещенная ко их концентрация всегда зона ЕВ мала по сравнению с концентрацией валентных Валентная зоэлектронов. Поэтому конна (заполненная) центрация электронов в металлах практически не зависит от температуры и Рис.1 зависимость электропроводности металлов от температуры обусловлена только подвижностью электронов, которая уменьшается с увеличением температуры из-за увеличения амплитуды колебания атомов в кристаллической решетке, что влечет за собой уменьшение длины свободного пробега электрона. У диэлектриков и полупроводников в отличие от металлов нет частично заполненных зон. При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, (рис.1) поэтому эти вещества проводить ток не могут. Однако, если этому веществу сообщить достаточное количество энергии, например, нагревая его или облучая каким-либо излучением, то электроны, приобретая дополнительное количество энергии, могут преодолеть ширину запрещенной зоны и перейти в зону проводимости. В этом случае вещество приобретает некоторую электропроводность, которая возрастает с ростом температуры. Механизм собственной электропроводности полупроводника. Рассмотрим строение полупроводникового материала, получившего наиболее широкое распространение в современной электронике – кремния (Si), элемента IV группы периодической системы элементов Менделеева. В кристалле этого полупроводника атомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружSi Si ной электронной оболочки образуют устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам и образует связывающую эти атомы силу. Si Si Так как у элементов IV группы на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона, то в идеальном кристалле полупроРис.2 7

водника все ковалентные связи заполнены и все электроны прочно связаны со своими атомами (рис. 2 ). При температуре абсолютного нуля все энергетические состояния внутренних зон и валентная зона занята электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста. Поэтому в этих условиях кристалл полупроводника является практически диэлектриком. При температуре T > 0ºK в результате увеличения амплитуды теплоЕ Si

3.П.

Si

EC Si

Si

EB В.3.

Рис. 3 а)

б)

вых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки дополнительной энергии, поглощенной каким-либо электроном, может оказаться достаточным для разрыва ковалентной связи и перехода в зону проводимости, где электрон становится свободным носителем электрического заряда (рис.3). Одновременно с этим у того атома полупроводника, от которого отделился электрон, возникает незаполненный энергетический уровень в валентной зоне, называемой «дыркой». Дырка представляет собой единичный положительный электрический заряд и может перемещаться по всему объему полупроводника под действием электрических полей, по законам диффузии в результате разности концентраций в различных зонах полупроводника, а также участвовать в тепловом движении. Таким образом, в идеальном кристалле полупроводника при нагревании могут образовываться пары носителей электрических зарядов: электрон-дырка, которые обусловливают появление собственной электрической проводимости полупроводника. После своего образования пары «электрон-дырка» существуют в течение некоторого времени, называемого временем жизни носителей электрического заряда. В течение этого промежутка времени носители участвуют в тепловом движении, взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, как единичные электрические заряды, перемещаются под действием градиента концентрации, а затем рекомбинируют. Собственная электрическая проводимость полупроводника:

σ = q⋅ n⋅μn +q⋅ p⋅μp ,

где n, p - концентрация электронов и дырок соответственно; q - заряд электрона; μn и μp - подвижность электронов и дырок. 8

(5)

Следует отметить, что генерация пар носителей «электрон-дырка» и появление собственной электропроводности полупроводника может происходить не только под действием тепловой энергии, но и при любом другом способе энергетического воздействия на полупроводник: квантами лучистой энергии, ионизирующим излучением и т.д. Распределение электронов по энергетическим уровням. При неизменном температурном состоянии полупроводника распределение электронов по энергетическим уровням подчиняется квантовой статистике Ферми-Дирака. С ее помощью можно определить концентрацию электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне и определить зависимость удельной электропроводности полупроводника от температуры, наличия примесей и других факторов. Вероятность заполнения электроном энергетического уровня E при температуре Т определяется функцией распределения Ферми:

1 E−E f n = KT F , e +1

(7)

где Т - температура в градусах Кельвина; К - постоянная Больцмана; EF -уровень Ферми (средний энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 0,5 при Т=0). Е Соответственно функция (1-fn) определяет вероятность того, что квантовое состояние с энергией Е свободно от электрона, т.е. занято дыркой. Еп ЕF ЕB

T>0К T=0

1

f p = 1− fn = e

EF −E KT

+1

;

(8)

Вид этих функций представлен на рис. 4. При температуре Т= 0 К функция распределения Ферми имеет ступенчаƒn 0 1/2 1,0 тый характер. Это означает, что при Т = 0 К все энергетические уровни, находя1,0 1/2 0 ƒp щиеся выше уровня Ферми, свободны. Рис. 4 При Т > 0 К увеличивается вероятность заполнения электроном энергетического уровня, расположенного ниже уровня Ферми. Поэтому ступенчатый характер функции распределения 9

сменяется более плавным в сравнительно узкой области энергий, близких к ЕF . Механизм примесной электропроводности полупроводников. Электропроводность полупроводника может обусловливаться не только генерацией пар носителей «электрон-дырка» вследствие какого-либо энергетического воздействия, но и введением в структуру полупроводника определенных примесей. Так, рассмотрим монокристалл полупроводника, например, того же кремния, в кристаллическую решетку которого введено некоторое количество атомов примеси, например, мышьяка (As) , находящегося в V группе периодической системы элементов Менделеева. Атом примеси Si Si располагается в узле кристаллической решетки, а его валентные электроны устанавливают прочные ковалентные связи с соседними атомами полупроSi As водника (Рис.5). Но поскольку у атома мышьяка на наружной электронной оболочке находятся пять валентных электронов, то четыре из них устанавлиРис.5 вают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, подобно существующим связям в основных атомах кристаллической решетки, а пятый валентный электрон такой связи установить не может, так как в атомах кремния все свободные связи (уровни) уже заполнены, Поэтому связь с ядром этого пятого электрона атома примеси в ε2 раз слабее по сравнению с другими электронами, где ε – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится атом примеси. Под действием теплового колебания атомов кристаллической решетки связь этого электрона с атомом легко разрушается и он переходит в зону проводимости, становясь при этом свободным носителем электрического заряда. Атом же примеси, потеряв один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом , но он остается в узле кристаллической решетки и в отличие от «дырки» , тоже имеющей единичный положительный заряд, он не может перемещаться внутри кристалла, так как связан с соседними атомами полупроводника межатомными связями, и может лишь совершать колебательные движения около положения равновесия в узле кристаллической решетки. При этом электрическая нейтральность кристалла полупроводника не нарушается, так как заряд каждого электрона, перешедшего в зону проводимости, уравновешивается положительно заряженным ионом примеси. Таким образом, полупроводник приобретает свойство примесной электропроводности, обусловленной наличием свободных электронов в зоне проводимости. Этот вид электропроводности называется электронной и обозначается буквой n (негативная, отрицательная проводимость), а полупроводники с таким типом проводимости называется по10

лупроводниками n-типа. Примесь, обуславливающая электронный тип электроЕп проводности полупроводника, называется донорной. В отличие от идеальных, чистых ЕF полупроводников диаграмма распределения электронов по энергетическим уровням в полупроводниках n-типа изменяется (рис.6). Уровень Ферми в этом случае будет смещаться вверх, к границе зоны проЕB водимости Eп , так как малейшее приращение энергии электрона проводит к переƒn 0 1/2 1,0 ходу его в зону проводимости. 1,0 1/2 0 Если в ту же кристаллическую реƒp шетку полупроводника кремния ввести Рис.6 атомы примеси с валентностью меньшей, чем валентность основного полупроводника, например, индия (In), принадлежащего к Ш группе периодической системы элементов Менделеева, и следовательно, имеющего на наружной электронной оболочке три валентных электрона, то эти три валентных электрона устанавливают прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния из чеSi Si тырех рис.7. Одна из связей остается не заполненной из-за отсутствия необходимого электрона у атома примеси. Поэтому заполнение этой свободной связи может проSi In изойти за счет электрона, перешедшего к атому примеси от соседнего атома основного полупроводника при нарушении какойРис.7 либо связи. При этом атом примеси, приобретая лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом, а дырка, образовавшаяся в атоме основного полупроводника, имея единичный положительный заряд, может перемещаться от одного атома полупроводника к другому внутри кристалла, участвуя в тепловом движении; взаимодействуя с электрическими и магнитными полями, а также под действием градиента концентрации. Такой тип проводимости называется дырочным и обозначается буквой Р (позитивный, положительный тип проводимости), а полупроводник называется полупроводником р-типа. Примесь, обуславливающая этот тип проводимости полупроводника, называется акцепторной. Следует отметить, что отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси в полупроводнике р-типа не могут перемещаться внутри кристалла, так как находятся в узлах кристаллической решетки и связаны межатомными связями с соседними атомами полупроводника. В целом полупроводниковый кристалл остается электрически нейтральным, так как Е

T>0 К

11

Е

количеству образовавшихся дырок строго соответствует количество отрицательно заряженных ионов примеси. Для полупроводЕп ника р-типа диаграмма распределения электронов по электрическим уровням будет иметь вид (рис.8). Вероятность захвата T>0К электрона и перехода его в валентную зону ЕF возрастает в полупроводниках типа P , поЕB этому уровень Ферми здесь смещается вниз, к границе валентной зоны. Следует отметить, что при очень больших концентрациях примесей в полупроводниках уровень Ферми может даже выходить за пределы запреƒn щенной зоны либо в зону проводимости (в 0 1/2 1,0 полупроводниках n-типа) либо в зону ва1,0 1/2 0 ƒp лентную (в полупроводниках p-типа). Такие Рис.8 полупроводники называются вырожденными. Как уже было отмечено выше, в полупроводнике носители электрического заряда могут перемещаться как под действием внешнего электрического поля, так и под действием градиента концентрации. Составляющая электрического тока под действием внешнего электрического поля называется дрейфовым током и определяется как

j =q⋅(μn ⋅n+μp ⋅p)⋅E ,

(9)

где: q -заряд электрона; μn , μp - подвижность электронов и дырок соответственно; nконцентрация электронов и дырок; E -напряженность приложенного электрического поля. Составляющая электрического тока, обусловленная направленным перемещением носителей электрического заряда из мест с большей концентрацией в места, где их концентрация меньше, называется диффузионным током и определяется как dp jдиф = q ⋅ (Dn dn dx − Dp dx ) ,

(10) где: q - заряд электрона, Dn, Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок ( количество носителей, проходящих через единичную площадку за 1 сек. при единичном градиенте концентрации), dn dp и - градиенты концентрации электронов и дырок. dx dx

12

Физика явлений в p-n переходе. Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна Рис.9 из которых имеет электропроводность тира p, а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом или просто pn-переходом. Если поверхность перехода значительно превышает его толщину, то такой переход называют плоскостным. Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 9 ) в котором с одной стороны введена примесь акцепторная, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны введена примесь донорная, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Еще раз подчеркнем, что каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным. Ионы примесей на рис 9. изображены пунктиром. Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны – наоборот, Eп из области n в область p. Это направленное P n навстречу друг другу перемещение электриче+ ских зарядов образует диффузионный ток p-n + + перехода. Но как только дырка из области p + перейдет в область n, она оказывается в окру+ + жении электронов, являющихся основными + + носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какойδ либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в Рис.10 результате которого не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды непод-

P + +

- - n + + - + - + - + + - + + - - + +

13

вижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь эти не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис.10), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком δ, между которыми возникает электрическое поле, которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обуславливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов Δ φк. Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так дырки в области p - основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n , попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области δ, где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой. Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель- дырка, то под действием поля потенEп циального барьера она будет переброшена в область p, где она будет уже основным P + + - n носителем, Движение неосновных носите+ + - - лей через p-n-переход под действием электрического поля потенциального барьера + + + + + - - обусловливает составляющую дрейфового тока. + + + - При отсутствии внешнего электричеδ ского поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических заря+φ дов, то есть между диффузионной и дрейΔ φк X фовой составляющими тока p-n перехода, 0 поскольку эти составляющие направлены -φ навстречу друг другу. Рис.11 Потенциальная диаграмма p-nперехода изображена на рис.11, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барь14

ер с высотой Δ φк . Энергетическая диаграмма p-n-перехода имеет вид, изображенный на рис.12. При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости. Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны EВР, а в полупроводниках n-типа - к дну зоны проводимости EПП, то на ширине p-n перехода δ диаграмма энергетических зон искривляется и образуется потенциальный барьер:

Δϕк =

Eп P

+

n

-

+

-

+

-

+

+ + + + + +

-

+

-

+

- - - -

δ EПР

ΔE

EF

EПП EF

EВР Рис. 12

ΔE , q

EВП

(11)

где: Δ E - минимальное количество дополнительной энергии, которую необходимо сообщить электрону в области n, чтобы он мог перейти в область p, или, что тоже самое, количество дополнительной энергии, которую необходимо сообщить дырке в зоне p, чтобы она перешла в зону n; q - заряд электрона. Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе. Вентильные свойства p-n перехода. Одним из замечательных свойств, которыми обладает p-n-переход, является свойство изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем. Рассмотрим p-n переход, к которому подключен внешний источник ЭДС с полярностью, указанной на рис.13. Тогда, как видно из рис.13 напряженность электрического поля внешнего источника E будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера Eп и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Eр Eр=E- Eп (12) 15

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, перемещающихся через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p-n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя уменьшается и его сопротивление снижается. По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p-n-перехода возрастает и для его ограничения послеEп довательно с p-n- переходом включают ограничиP + n тельное сопротивление R. - - + Основные носители после + - + перехода границы раздела + + + становятся неосновными в + + - противоположной области + + + - полупроводника и, углуR бившись в нее, рекомбиниE руют с основными носителями этой области, но, пока + подключен внешний источник, ток через переход подφ держивается непрерывным +φ поступлением электронов из внешней цепи в n - обΔ φК ласть и уходом их из p - обХ ласти во внешнюю цепь, благодаря чему восстанав-φ ливается концентрация дыРис.13 Рис.13 рок в p - области. Введение носителей заряда через p-n переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда. При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области , в дырочную - электроны. Если теперь к этому же р-n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью (рис.14), то напряженность электрического поля этого источника E будет направлена в ту же сторону , что и напряженность электрического поля потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда 16

ширина запирающего слоя возрастает (δ‘> δ) и его сопроP N тивление резко воз+ + растает. Теперь че+ рез р-n- переход бу+ дет протекать очень + маленький ток, обу+ + словленный перебросом суммарным δ электрическим поδ` лем на границе раздела, неосновных носителей, возниЕ R кающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Этот ток (как уже указывалось выше, Δϕ k дрейфовый) называют обратным тоX ком р-n перехода. По установившейся традиции, пришедшей еще из техники электронных ламп, в Рис.14 полупроводниковых приборах область с положительным типом проводимости ( р) называют анодом, а область с отрицательным типом проводимости (n) - катодом. Eп

ϕ

Вольт - амперная характеристика р-n перехода. Рассмотренные процессы в р-n переходе описываются аналитической функцией :

Ι Ρ − Ν = Ι 0 (e

U ⋅g Κ ⋅Τ

− 1) ,

(13)

где: Ι Ρ − Ν - суммарный поток носителей электрического заряда через границу раздела; Iо - обратный ток p-n-перехода; 17

U - приложенное к переходу напряжение внешнего источника; К - постоянная Больцмана; К=1.38·10-23 дж /град; Т - температура в градусах Кельвина; g - заряд электрона. При прямом напряжении внешнего источника (U > 0 ) экспоненциальный член быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей. При обратном напряжении внешнего источника (U < 0) экспоненциальный член стремится к нулю и ток р–n-перехода практически равен обратному току Iо, определяемому, в основном, дрейфовой составляющей. Вид этой зависимости представлен на рис. 15. Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт - амперной характеристики, а третий квадрант обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р-nперехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество Рис 15 выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла , отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток р-n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. При увеличении обратного напряжения, приложенного к р-nпереходу обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения Uп, при котором начинается интенсивный рост обратного тока - так называемой пробой р-n-перехода. Различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой, в свою очередь может быть туннельным и лавинным. Туннельный пробой происходит в очень тонких р-n-переходах и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда 18

возникает большой градиент электрического поля. При этом валентные электроны приконтактного слоя р - области отрываются от своих атомов и перебрасываются в n- область. Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р-n-перехода, но происходит также под действием сильного электрического поля. В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р-n-переходе. Эти носители, как уже было отмечено выше, испытывают со стороны электрического поля р-n-перехода ускоряющее действие и начинают ускоренно двигаться вдоль силовых линий этого поля. При достаточной величине напряженности эти носители на длине свободного пробега могут разогнаться до такой степени, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при очередном соударении с атомом полупроводника ионизировать его, то-есть выбить один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон-дырка. Образовавшиеся носители тоже начнут разгоняться в электрическом поле, сталкиваться с другими соседними атомами и процесс, таким образом, будет лавинообразно нарастать. Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно. Тепловым называется пробой р-n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в р-n-переходе и, соответственно, температура кристаллической структуры. Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей электрон-дырка. При том же значении обратного напряжения обратный ток возрастает (участок, обозначенный пунктиром на рис.15) Если электрическая мощность в р-n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n-переход разрушается. Кроме рассмотренных основных видов пробоя различают еще поверхностный пробой. Распределение напряженности электрического поля в р-nпереходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей 19

с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной. Емкость р-n-перехода. Еще одной замечательной особенностью р–n-перехода является то, что он обладает емкостными свойствами. Действительно , по обе стороны рn-перехода возникают объемные электрические заряды неподвижных ионов примесей, разделенные между собой запирающим слоем, имеющим очень высокое удельное сопротивление, что можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого являются р и n области полупроводника, разделенные переходом . Различают барьерную и диффузионную емкость р–nперехода. Барьерная емкость

cδ = c0

cδ определяется , как

ϕ0

ϕ0 − u

,

(14)

где:

ϕ0

- высота потенциального барьера; U - напряжение внешнего источника , приложенное к р-n - переходу; Со - емкость р-n перехода при отсутствии внешнего источника ( U=0)

C0 =

ε ℜ ⋅ε 0 ⋅ s δ

,

(15)

где: S - площадь запирающего слоя;

ε0

- диэлектрическая проницаемость вакуума;

ε ℜ - относительная диэлектрическая проницаемость; δ - толщина запирающего слоя. Как уже было отмечено выше, обратное напряжение, приложенное к рn-переходу приводит к увеличению толщины запирающего слоя и, следовательно, к снижению барьерной емкости. И , наоборот, прямое напряжение, приложенное к р-n-переходу, уменьшает толщину запирающего слоя и увеличивает барьерную емкость. Диффузионная емкость р–n-перехода С диф. образуется при подключении внешнего источника в прямом направлении ( U > 0 ).Инжекция носителей заряда при этом из одной области кристалла в другую приводит к возникновению около запирающего слоя зарядов противоположной полярности. 20

Это явление схоже с процессами в конденсаторе, изменение зарядов на обкладках которого, пропорционально изменению приложенного напряжения.

C д иф =

ΔQин ж ΔU ,

(16)

где:

ΔQин ж - изменение величины инжектированного заряда из одной области в другую; ΔU - изменение величины приложенного напряжения. При прямом напряжении, приложенном к р-n-переходу, барьерная емкость меньше диффузионной. При обратных напряжениях, превышающих десятые доли вольта, диффузионная емкость практически равна нулю и следует учитывать лишь барьерную емкость р-n-перехода. Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения. Другие типы p-n-переходов. Рассмотренный тип p-n-перехода не является единственным, хотя и получил наиболее широкое распространение в полупроводниковой электронике. Среди других типов переходов в первую очередь необходимо отметить контакты “ металл-полупроводник”. Контакт металл - полупроводник возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р - типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Ам и из полупроводника Ап. Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Через контакт полупроводника с металлом происходит переход электронов из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. В месте контакта происходит перераспределение электрических зарядов и возникает электрическое поле и контактная разность потенциалов: Α − ΑΠ ϕΚ = Μ (17) q В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать слой либо обедненный , либо обогащенный носителями электрических зарядов. Когда работа выхода электрона из металла Ам меньше, чем из полупроводника Ап, электроны с большей вероятностью переходят из металла в полупроводник. Если при этом полупроводник n - типа проводимости, то это приводит к появлению 21

обогащенного электронами слоя, а если полупроводник р- типа , то это приводит к появлению обедненного дырками слоя или даже слоя с проводимостью типа n в полупроводнике р - типа - это так называемый инверсный слой. Когда же Ам > Ап, то в полупроводнике n - типа образуется обедненный слой или даже инверсный, а в полупроводнике р- типа - обогащенный. В обедненных слоях объемный заряд возникает из-за появления нескомпенсированных основными носителями зарядов ионов примеси, а в обогащенных - благодаря накоплению основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловливает малое сопротивление приконтактной области, но вентильное свойство здесь не проявляется. При наличии обедненного или инверсного слоя контакт металл - полупроводник обладает вентильными свойствами и подобен уже рассмотренному выше р-n-переходу. Отличительной особенностью контакта металл - полупроводник является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, то-есть при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов. Контакт между полупроводниками одного типа проводимости.

Рис.16 22

Области вблизи контакта полупроводников с одним типом проводимости, но с различной концентрацией примесей, обычно обозначают р+ -р или n+ -n переход, причем значком + обозначают полупроводник с большей концентрацией. На рис. 16 приведен пример контакта р+ - р , где обе области полупроводника обладают электропроводностью р - типа. Процессы вблизи такого контакта аналогичны происходящим в р-n-переходе, то-есть носители из области с большой концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, в результате чего в области р+

возникает объемный заряд из нескомпенсированных зарядов ионов примеси, а в области р - объемный заряд из избыточных носителей - дырок, перешедших из области р+. Появление объемных электрических зарядов приводит к образованию диффузионного электрического поля Едиф и контактной разности потенциалов. Но в отличии от обычных р-n переходов здесь отсутствует запирающий слой, так как здесь не может быть области с концентрацией, меньшей чем в слабо легированном полупроводнике. Поэтому такие контакты вентильными свойствами не обладают, но зато в них при любой полярности приложенного напряжения не происходит инжекции из низкоомной области в высокоомную, что является важным для некоторых типов полупроводниковых приборов. Омические контакты. Контакты металл - полупроводник, не обладающие вентильными свойствами и имеющие линейную вольт-амперную характеристику, называют омическими . Такие контакты необходимы для присоединения внешних выводов к кристаллу полупроводника, когда дополнительные переходы с односторонней проводимостью являются нежелательными или даже недопустимыми. Такие контакты образуются тогда, когда работа выхода электрона из металла и из полупроводника одинакова : Ам = Ап. Поэтому в этих случаях каждому типу полупроводника подбирается свой тип металла или сплава для выполнения указанного условия. ГЛАВА II Полупроводниковые диоды. Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, содержащий один электронно- дырочный (n-р) переход, либо контакт “ металл-полупроводник”, обладающий вентильными свойствами. В большинстве случаев полупроводниковые диоды с р-n - переходами делают несимметричными, то-есть концентрация примесей в одной из областей значительно больше, чем в другой. Поэтому количество неосновных носителей, инжектируемых из сильно легированной области, называемой эмиттером в слабо легированную, называемую базой, значительно больше, чем в противоположном направлении. Классификация диодов производится по различным признакам: по типу полупроводникового материала - кремниевые, германиевые, из арсенида галлия; по физической природе процессов, обусловливающих их работу туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.; по назначению - выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.; по технологии изготовления электронно-дырочного перехода - сплавные, диффузионные и др.; по ти23

пу электронно-дырочного перехода - точечные и плоскостные. Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода. На принципиальных схемах полупроводниковые диоды обычно обозначаются символом : Анод Катод I

+

-

Рис.17 В зависимости от типа диода к этому символу добавляются различные элементы, но для всех диодов общим является обозначение анода и катода (рис.17), которые имеют видимую отличительную маркировку. В зависимости от геометрических размеров р-n-перехода диоды подразделяют на плоскостные и точечные . Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь р-n-перехода значительно больше его ширины. У таких диодов площадь р-n-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров. Точечные диоды имеют очень малую площадь р-n-перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины р-n-перехода. Реальные структуры полупроводниковых диодов изображены на рис.18 а - точечного; б - плоскостного. Плоскостные р-n переходы обычно изготавливают методом сплавления или методом диффузии. Сплавной метод заключается в том что в монокристалл полупроводника, чаще германия или кремния, вплавляют электрод из металла или сплава, содержащий донорские или акцепторные примеси. Диффузионный метод Рис.18 основан на диффузии примесного вещества в монокристалл при температуре близкой, но меньшей температуре плавления. 24

Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной емкости(до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную чистоту до 10 кГц. Промышленность выпускает плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности. Точечные р-n-переходы образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки - пружинки. Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, для чего уже через собранный диод пропускают короткие импульсы тока. В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупроводника, образуя слой иного типа, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает р-п-переход полусферической формы. Благодаря малой площади р-п-перехода барьерная емкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах. Импульсные диоды. Диоды, предназначенные для работы в импульсных режимах, называются импульсными. Импульсные режимы — это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 19 ) При прямом напряжении на участке (0 ÷ t1) U пр происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. t1 t При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление U обр диода резко уменьшится, так как накопленные i пр в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности t электрического поля начнут двигаться в сторону р-п-перехода, образуя импульс обратного Iо тока. По мере перехода их в эмиттерную обI в.макс i обр ласть, их количество уменьшится и через неτобр которое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопроРис.19 тивление диода в обратном направлении вос25

становится до нормальной величины. Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося называется временем восстановления (tвос.). Время восстановления — один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем он меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам р-п переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода Сб. Туннельные диоды. Туннельным диодом называется полупроводниковый прибор, выполненный на основе вырожденного полупроводника с такой высокой концентрацией примесей, что уровень Ферми выходит за пределы запрещенной зоны. Р-п-переходы на базе таких материалов имеют очень малую толщину и очень высокий градиент напряженности электрического поля и в них при обратном напряжении и небольшом прямом возникает туннельный эффект, а вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным сопротивлением. Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами на рис.20. В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна зоны проводимости области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер (туннелировать)(Рис.20б). В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится. При этом в зоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из области п в область р. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала п-типа и потолок валентной зоны материала р-типа будут совпадать (рис.20 в). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из п-областей в р-область начнет убывать (рис.20 г), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном 26

Рис.20 зоны проводимости материала п-типа и потолком валентной зоны материала р-типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток р-п-перехода достигнет минимального значения (рис.20а), а затем, когда туннельные переходы электронов станут невозможны (рис.20д), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов. При подаче на туннельный диод обратного напряжения, потенциальный барьер возрастает и электрическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис.20е). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток р-п перехода в этом случае будет возрастать 27

в основном за счет электронов, туннелирующих из области р в область п, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны р области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней, приведет к существенному росту обратного тока. Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т.е. они не обладают вентильными свойствами. Более того обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство используется в другом типе полупроводникового прибора — обращенном диоде. Обращенный диод. Обращенный диод представляет собой разновидность туннельного диода у которого концентрация примесей подобрана таким образом, что в уравновешенном состоянии при отсутстP n вии внешнего напряжения потолок валентной зоны материала р-типа EF совпадает с дном зоны проводимости материала п-типа (рис.21). В этом случае туннельный эффект буРис.21 дет иметь место только при малых значениях обратного напряжения и вольт-амперная характеристика такого прибора будет аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (рис.22). При прямом напряжении на р-п-переходе прямой ток связан с диффузией носителей через понизившийся потенциальный барьер и вольтамперная характеристика его аналогична прямой ветви вольт-амперной характеристики обыкновенного диода (рис22). Таким образом, этот диод оказывает малое сопротивление току, проходящему в обратном направлении и сравнительно высокое прямому току. Поэтому используются они тоРис.22 гда, когда необходимо выпрямлять очень слабые электрические сигналы величиной в малые доли вольта. При этом включается он в обратном направлении, что предопределило и название такого диода.

28

Диоды Шотки. Потенциальный барьер, полученный на основе контакта “металл — полупроводник” часто называют барьером Шотки, а диоды, использующие такой потенциальный барьер, — диодами Шотки. Как уже было рассмотрено выше, в контакте металл — полупроводник не происходит накопления неосновных носителей в базе из-за отсутствия инжекции неосновных носителей, вследствие чего значительно уменьшается время восстановления, что в сочетании с малой величиной барьерной емкости создает идеальные условия для использования таких диодов в импульсных и высокочастотных устройствах.. Варикапы. Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется свойство р-п-перехода изменять величину барьерной емкости под действием приложенного обратного напряжения. То-есть, варикап можно рассматривать как конденсатор, емкость которого можно регулировать при помощи электрического сигнала. Стабилитроны. Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств — стабилизаторов напряжения. Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-п-перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т.е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей. Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-пперехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального Рис.23 барьера — очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-п-перехода пробой носит лавинный характер. 29

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис.23. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения Imax во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя. Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) TKH =

1 ΔU CT ⋅ U CT ΔΤ

(18)

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН. (рис.24). Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных δ стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. ΔU Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-п -переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном включить п диодов в прямом направлении, Рис.24. где

n=

ΔU

δ

;

(19) ( δ - изменение прямого падения напряжения на диоде при нагревании от Т1 до Т2.), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона . (Рис.25).

Рис.25.

30

Стабисторы. Стабилизацию постоянного напряжения можно так же получить при использовании диода, включенного в прямом направлении, используя для этой цепи крутой участок прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис.26). При изменении прямого тока в диапазоне ΔΙ от Imin до Ι max падение напряжения будет изменяться в относительно небольшом диапаРис.26. зоне ΔU . Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами. Для изготовления стабисторов используется кремний с большой концентрацией примесей, что необходимо для получения меньшего сопротивления и меньшей температурной зависимости прямой ветви вольтамперной характеристики. По сравнению со стабилитронами стабисторы имеют меньшее напряжение стабилизации (десятые доли вольта). Выпрямительные диоды. В выпрямительных диодах используются вентильные свойства р-п - перехода для выпрямления переменного тока. Выпрямлением называется процесс преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды должны иметь возможно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Рис.27. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением (13) и имеет вид, изображенный на рис.27. По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу: 1. Номинальный прямой ток. В силовых диодах прямой ток часто называют анодным током, так как он направлен от анода к катоду, а все, что имеет отношение к анодной цепи, обычно обозначают индексом “а”. Iаном. среднее значение анодного тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения. 31

2. Номинальное прямое падение напряжения ΔU ном. - среднее значение падения напряжения на диоде при протекании номинального прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи. 3. Напряжение отсечки UО, определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений. 4. Напряжение пробоя Un — обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока. 5. Номинальное обратное напряжение Uобр.ном - рабочее обратное напряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет 0,5 Un. Этот параметр используется для обеспечения последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь. 6. Номинальное значение обратного тока I обр.ном — величина обратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения. 7. Статическое сопротивление диода:

RCT =

ΔU = tqα Ιa

(20)

где: Iа — величина анодного тока диода (его прямого тока); ΔU — падение напряжения на диоде при протекании тока Iа .

Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току. Кроме рассмотренной системы статических параметров в работе диодов важную роль играет система динамических параметров: 1. Динамическое (дифференциальное) сопротивление Rдин. : Rдин=

ΔU a = tqβ , ΔΙ a

(21)

где: ΔΙ a — приращение прямого тока диода;

ΔU a — приращение падения напряжения на диоде при изменении его прямого тока на ΔΙ a . Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например, в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения. 32

2. Скорость нарастания прямого тока di/dt. Этот параметр является очень важным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстрое нарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих емкостный характер). Если ток через диод не превышает допустимого значения, но имеет очень крутой фронт нарастания, то в полупроводниковом кристалле возможно возникновение явления, называемого шнурованием тока, когда ток в первый момент времени из-за неоднородностей в р-п- переходе сосредоточится в узкой области р-п-перехода, имеющей наименьшее сопротивление, образуя так называемый “шнур”. Плотность тока в “шнуре” может оказаться недопустимо большой, что приведет к проплавлению полупроводниковой структуры и выходу прибора из строя. Поэтому для силовых диодов этот параметр часто нормируется в паспортных данных с указанием его предельного значения. Для защиты I силовых диодов от без дросселя выхода из строя изД с дросселем за большой скорости ΔI нарастания тока можно последоваt тельно с диодом Δt включить небольРис.29 Δt ′ шой дроссель L (рис.29) Наличие Рис.28 дросселя L в цепи приводит к затягиванию фронта нарастания тока с величины Δt , до безо/ пасной величины Δt (рис.28). 3. Скорость нарастания обратного напряжения du/dt. Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока диода с учётом собственной ёмкости p-n-перехода Сб будет равен

i = Cб

dUc dt ,

(22)

dUc где: dt - скорость нарастания обратного напряжения. Даже при сравнительно небольшой величине ёмкости Сб импульс тока может представлять собой опасность для полупроводниковой структуры, если второй сомножитель в выражении (22) будет достаточно большим. Для защиты силовых диодов в этом R C случае их шунтируют защитной RC цепочкой (рис.30), причём ёмкость C выбирают больше величины собственной ёмкости p-n-перехода. Тогда импульс обратноРис. 30 го тока, в основном, будет проходить по защитной це33

почке, не принося вреда самому диоду. 4. К числу динамических параметров относится и величина собственной ёмкости p-n-перехода силового диода Сб. В настоящее время на практике преимущественно применяется система так называемых предельных параметров, основными из которых являются: 1. Предельный ток Iп. Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор. Обычно силовые диоды используются совместно с определенным типом охладителя. Это может быть либо массивная металлическая пластина, интенсивно отводящая тепло, выделяющееся в диоде при протекании тока, либо специальная конструкция радиатора, имеющего большую площадь теплоотвода, либо специальный охладитель, имеющий внутри рубашку жидкостного охлаждения, по которой циркулирует вода. Поэтому в информационных материалах приводятся значения предельных токов с учетом влияния охлаждения (скорость и расход охлаждающего воздуха или жидкости). 2. Ток рабочей перегрузки Iр.пер.. Это ток диода, длительное протекание которого вызвало бы превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но ограниченный по времени так, что превышение этой температуры не происходит. 3. Ударный ток Iудар. Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора, что соответствует половине периода тока частотой 50 Гц. 4. Повторяющееся напряжение Uповт. Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Повторяющееся напряжение характеризуется классом прибора, указывающим его в сотнях вольт и дающимся в паспортных данных. 5. Неповторяющееся напряжение Uнеп. – максимальное допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении. 6. Максимальное обратное напряжение Uп – напряжение, соответствующее началу процесса лавинообразования в приборе (напряжение пробоя). Большинство указанных параметров обычно приводится в техническом паспорте на прибор, а более подробно информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор. Система обозначения диодов. В соответствии с ГОСТ 10862-64 в обозначении диодов содержатся цифровые и буквенные элементы, в которых заключен большой объём информации. 34

Первый элемент – буква или цифра характеризует исходный полупроводниковый материал: Г или 1 – германий; К или 2 – кремний; А или 3 – арсенид галлия. Обозначения с цифрой присваиваются приборам, которые могут работать при более высоких температурах. Второй элемент – буква, обозначающая тип диода: Д – выпрямительные и преобразовательные; В – варикапы; А – сверхвысокочастотные диоды; И – туннельные диоды; С – стабилитроны и т.д. Третий элемент – число – назначение диода и его электрические свойства (расшифровывается с помощью таблиц). Так, например, обозначение от 101 до 199 – выпрямительные диоды со средним значением прямого тока до 0.3А; от 201 до 299 - со средним значением прямого тока от 0.3А до 10А; от 301 до 399 – свыше 10А. В обозначении стабилитронов третий элемент – цифра – значение мощности, четвертый и пятый – числа от 01 до 99 – напряжение стабилизации, шестой элемент – буква – показывает номер группы в технологическом типе. В обозначении силовых диодов согласно ГОСТ 10662-73 в обозначении типа прибора присутствуют следующие элементы: буква В, обозначающая вентиль; для лавинных диодов добавляется буква Л (ВЛ); для вентилей с водяным охлаждением добавляется ещё буква В (ВВ или ВЛВ); затем приводится цифра, обозначающая конструктивное исполнение прибора; число, обозначающее предельный ток в амперах; число, указывающее класс прибора (повторяющееся обратное напряжение в сотнях вольт); далее иногда указывают прямое падение напряжения в вольтах. Последовательное и параллельное соединение силовых диодов. В устройствах силовой электроники иногда возникает необходимость включать послеД1 Д2 довательно несколько вентилей (когда обратное напряжение превышает максимально допустиU1 U2 мое для данного типа вентиля) либо параллельUобр. но (когда прямой ток превышает максимально I допустимое значение для данного типа прибоU1 U2 ра). Поскольку, даже однотипные полупроводU никовые приборы имеют большой технологичеiобр. ский разброс по параметрам, то при последовательном и параллельном соединении из-за неД1 Д2 совпадения их вольтамперных характеристик Рис. 31 возникают неравномерные распределения напряжений и токов между отдельными приборами. Так, при последовательном соединении диодов (рис. 31) обратный ток обоих диодов iобр. будет одинаков. Из-за различия обратных ветвей вольтам35

перных характеристик при этом токе обратные напряжения на диодах Д1 и Д2 будут различные: U1 и U2. И, хотя в сумме они равны обратному напряжению в схеме Uобр.= U1 + U2, но поскольку они не равны между собой, может возникнуть опасность пробоя одного из них, в данном случае Д1, если U1 > Uобр.доп.. Для выравнивания обратных напряжеД1 Д2 ний при последовательном включении силовых диодов, их шунтируют резисторами Rш (рис.32), RШ RШ величина которых меньше сопротивлений диодов Д1 и Д2 в обратном направлении. Тогда ток в обратном направлении будет в основном протеРис. 32 кать по шунтирующим резисторам, что приведёт к сближению напряжений U1 и U2. Сопротивления этих резисторов может быть определено по соотношению: nU обр.доп. U max ш ( n −1) I обр.max , (23)

R ≤

Д1 i1

где n – число последовательно соединённых i диодов; a Д2 i2 b Uобр.доп. – максимальное допустимое обратное напряжение для данного типа диода; i Д2 Д1 Uобр. – максимальное суммарное обратное напряжение, приложенное к диодам; i2 Iобр.max – амплитудное значение обратного тока диодов. i1 При параллельном соединении нескольких Uab U диодов (рис.33) падение напряжения на них будет Рис 33 одинаково Uab. Однако, из-за несовпадения прямых ветвей вольтамперных характеристик, токи диодов различны: i1 и i2. Но поскольку сумма их равна току в неразветвлённой части цепи i = i1 + i2, то возможен случай, i1 Rв когда один из токов (в нашем случае i2) может Д1 i превысить максимально допустимое значение для данного типа диода, что приведёт к выходу a i2 Rв b его из строя. Для выравнивания токов можно последовательно с каждым диодом включить выравниД2 Рис. 34 вающие резисторы Rв (рис.34), величина сопротивления которых должна быть больше сопротивления диодов в прямом направлении. Тогда величины токов i1 и i2 будут, в основном, определяться сопротивлениями Rв и, следовательно, будут приближаться друг к другу. Однако, такой способ выравнивания может быть реализован только в маломощных цепях, так как потери мощности на этих резисторах могут быть существенными. Для выравнивания токов при параллельном соединении мощных 36

диодов используют так называемые индуктивные делители тока, в которых активное сопротивление выравнивающих резисторов заменяется индуктивным сопротивлением. Некоторые варианты индуктивных делителей тока предоставлены на рис.35.

Д1 L

Д2

Д1

L

L а)

Д2

Д1

Д2

L б)

L в)

Рис. 35 Принцип действия индуктивного делителя на рис.35а аналогичен уже рассмотренному, но вместо активных выравнивающих сопротивлений используются индуктивные (линейные дроссели L). В схеме на рис.35б эти же дроссели выполнены магнитосвязанными (на одном сердечнике), а в схеме на рис.35в используются реакторы, имеющие первичные и вторичные обмотки. Принцип действия этого делителя основан на том, что магнитодвижущие силы первичных и вторичных обмоток реакторов должны быть уравновешанны между собой. Поскольку через вторичные обмотки протекает один и тот же ток (обмотки включены последовательно), то токи первичных обмоток, а, следовательно, и токи диодов будут тоже одинаковы. Если возникает разбаланс токов диодов, то возникает неурвновешанный магнитный поток, который наведёт в первичных обмотках Э.Д.С., которая будет направлена навстречу току перегруженного диода и уменьшит этот ток, а в цепи недогруженного диода возникнет Э.Д.С., стремящаяся увеличить ток этого диода, в результате чего произойдёт выравнивание токов. Индуктивные делители подобного типа эффективны при выравнивании токов в переходных режимах или когда через диоды протекают пульсирующие токи, периодически изменяющиеся по величине от максимального значения до нуля. Если же через диоды будет длительно протекать постоянный ток, то произойдет насыщение магнитной системы индуктивного делителя, и выравнивание токов прекратится. Для равномерного распределения постоянного тока между параллельно включенными диодами обычно производят подбор диодов по прямому падению напряжения. Применение полупроводниковых диодов.

При рассмотрении вопросов применения полупроводниковых диодов ограничимся применением стабилитронов и силовых выпрямительных диодов. 37

Как уже отмечалось выше, применение стабилитронов связано с особенностью обратной ветRб i ви их вольтамперной ха+ рактеристики изменяться в большом диапазоне обUвх Ст iст Rн Uвых ратных токов при незнаiн _ чительном изменении напряжения на участке U Rб+(Ст+Rн) Рис. 36 Uвх.max пробоя. Это свойство стабилитронов широко ΔUвх Rб Uвх.ном. используется в устройстRн вах, называемых стабилизаторами напряжения. Uвх.min ΔUвых Простейшим таким устUвых.max Ст ройством является параUвых.min Rн+Cт метрический стабилизатор постоянного напряI жения (рис.36). При увеРис.37 Iст.min Iст.ном Iст.max личении входного напряжения Uвх. от нуля пропорционально возрастает напряжение на нагрузке Uвых. Когда входное напряжение достигнет напряжения пробоя стабилитрона, он открывается, и в его цепи появляется ток iст. Дальнейшее увеличение входного напряжения приведёт лишь к увеличению тока стабилитрона, а напряжение на нём, а, следовательно, и напряжение на нагрузке Uвых. будет теперь оставаться почти неизменным, а разница между входным напряжением и выходным будет падать на балластном сопротивлении Rб. На рис.37 представлены: вольт-амперная характеристика стабилитрона (Ст), вольт-амперная характеристика сопротивления нагрузки (RН), их результирующая вольтамперная характеристика (RН+Ст), вольт-амперная характеристика балластного сопротивления (Rб) и, наконец, суммарная вольт-амперная характеристика всего устройства. Поскольку максимальное значение тока стабилитрона ограничено его допустимым нагревом на уровне Iст.max, то максимальное значение входного напряжения ограничено величиной UВХ.max. Минимальное значение входного напряжения, очевидно, ограничено напряжением пробоя стабилитрона UП. Тогда за номинальное значение входного напряжения UВХ. ном. следует принять середину участка между UВХ.max и UВХ.min. По вольтамперной характеристике находим, соответственно, UВЫХ.max и UВЫХ.min, а середина между ними соответствует UВЫХ.НОМ. Очевидно, что при отклонении входного напряжения на Δ UВХ, выходное напряжение изменится на значительно меньшую величину Δ UВЫХ., т.е. имеет место стабилизация напряжения. Качество стабилизатора напряжения оценивается коэффициентом стабилизации КСТ: 38

К СТ =

U ΔU ВХ ΔU ВЫХ ΔU ВХ ΔU ВХ = ВЫХ.НОМ. ⋅ : =λ⋅ . (24) U ВХ.НОМ. ΔU ВЫХ. U ВХ.НОМ. U ВЫХ.НОМ. ΔU ВХ.

Можно показать, что: К СТ ≈ λ ⋅

Rб R H , т.е. коэффициент стабилизации пара-

метрического стабилизатора в основном определяется соотношением сопротивления балластного резистора Rб и сопротивления нагрузки RН. Силовые выпрямительные диоды нашли широкое применение в устройствах, преобразующих электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного тока и называемых выпрямителями. Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис.38). Она представляет собой силовой трансформатор Тр, первичная обмотка которого включена в питающую сеть переменного тока, а вторичная обмотка через силовой диод включена на сопротивление нагрузки Rd. Отметим, что в силовой преобразовательной технике силовые диоды принято называть вентилями. В этом названии подчёркивается, что в таких устройствах используются, в основном, вентильные свойства полупроводникового диода, т.е. его способность пропускать ток только в одном направлении. Далее отметим, что все параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выТр В ia прямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова +(-) + direct – прямой): id Rd Ud U1 e2 i2 Rd – сопротивление нагрузi1 -(+) ки; Ud – мгновенное значение Рис.38 выпрямленного напряжения; e2 id – мгновенное значение выπ 2π прямленного тока. Θ 0 а) Будем считать, что Э.Д.С. е2 на UВ.ОБР.MAX вторичной обмотке трансформатоid ра изменяется по синусоидальному Id iamax закону: e 2 = 2 E 2 sinΘ , Θ 0 б) где: Е2 – действующее значение Ud этой Э.Д.С.; Θ в) Θ=ωt; Ed 0 ω = 2π ⋅ f ; Рис. 39 1 f= частота напряжения T питающей сети.

39

Пусть на интервале (0 ÷ π ) полярность Э.Д.С. е2 будет такой, как указано на рис.39а. Тогда к вентилю В эта Э.Д.С. будет приложена в прямом направлении, вентиль открыт, и по нагрузке протекает ток id: id =

e2 2E 2 = sin Θ . Этот ток изображён на рис.39б. Заметим, что этот же Rd Rd

ток протекает и по вторичной обмотке трансформатора (i2), и через вентиль В (iа). Будем считать вентиль В идеальным и пренебрежём падением напряжения на нём при протекании тока нагрузки, а так же пренебрежём обратным током вентиля, считая его исчезающе малым по сравнению с током нагрузки. Тогда падение напряжения на сопротивлении нагрузки будет равно:

Ud

0÷ π

= id ⋅ R d =

2E 2 sinΘ ⋅ R d = 2E 2 sinΘ . Rd

В точке π полярность Э.Д.С. меняется на противоположную и становится такой, как указано в скобках на рис.38. По отношению к вентилю В эта полярность становится запирающей, и на интервале от π до 2π вентиль В закрыт, и ток нагрузки равен нулю:

id

π ÷ 2π

= 0 . Следовательно, нулю равно

и напряжение на нагрузке: U d π ÷ 2 π = 0 . В точке 2π все процессы повторяются. Таким образом, по нагрузке протекает однонаправленный пульсирующий ток только в течение одного полупериода, что предопределило и название этой схемы: однофазный однополупериодный выпрямитель. Постоянная составляющая этого тока или его среднее значение за период повторяемости определяется по выражению: 2π

I d = 21π ∫ i d dΘ = 0

2E 2

πR d .

(25)

Физический смысл этой величины – высота прямоугольника, построенного на периоде повторяемости тока id, и с площадью, равной площади половины синусоиды тока id. Аналогично находится и постоянная составляющая выпрямленного напряжения: π 2π 2E2 1 1 Ed = U d Θ = 2 E sin Θ d Θ = = 0.45E2 . (26) d 2 ∫ ∫ 2π 0 2π 0 π

Коэффициент пропорциональности между выпрямленным напряжением Ed и переменным напряжением E2 называют коэффициентом схемы выпрямителя (KСХ). Для рассматриваемой схемы выпрямления КСХ = 0.45. Мощность, выделенная на нагрузке, Pd=EdId. Важным параметром любой схемы выпрямления является пульсность (р) – количество пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания. Пульсность данного выпрямителя, как следует из рис.39в 40

р = 1. Пульсность играет важную роль в определении качества выпрямленного напряжения и тока, а так же в оценке энергетических показателей выпрямителей. Из рассмотренных соотношений можно найти параметры, по которым можно выбрать нужный тип вентиля для конкретного выпрямителя: 1. Максимальный ток вентиля:

i amax =

2E 2 ; (рис.39б) Rd

2. Максимальное обратное напряжение: Uвобр..max = 2E 2 ; (рис.39а) 3. Среднее значение тока, протекающего через вентиль: Ia = Id (рис.39б) Более совершенной схемой выпрямления является двухполупериодная со средней точкой (рис.40а). Она состоит из силового трансформатора Тр, первичная обмотка которого включена в В1 питающую сеть, а вторичная обмотка Тр ia1 имеет две одинаковые половины, Э.Д.С. которых сдвинуты друг относительно +(-) i1 друга на 180 градусов. В цепь каждой e2a -(+) Rd обмотки включены силовые вентили В1 а) U1 e1 и В2, а также сопротивление нагрузки +(-) Rd, которое одновременно принадлежит i e2b d цепям обеих полуобмоток, так как подia2 -(+) ключено к точке их соединения (средней точке). Как видно из рис.40а этот B2 выпрямитель представляет собой два e2 e2a e2b e2a однополупериодных выпрямителя, раUbобр.max ботающих на одну и ту же нагрузку поΘ б) 0 очереди, в разные полупериоды питающего напряжения. Однако ток нагрузки протекает в течение обоих полупериоiamax Ia1 ia1 дов, что и нашло отражение в названии этого выпрямителя. Очевидно, что при Θ в) 0 тех же значениях Э.Д.С. е2а и е2b, что и в ia2 Ia2 предыдущем случае, величина выпрямΘ г) 0 ленного напряжения и выпрямленного Id id тока здесь в два раза больше: Θ д)

0 Ud 0

Ed π

Θ е)

Ed =

2 2E 2 = 0.9E 2 ; π

(27)

2π

Рис. 40 41

Id =

2 2E d 0.9E 2 = πR d Rd ;

(28)

Ксх = 0.9; (29) Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю в этой схеме, будет равно: U в.обр.max = 2 2 E 2 (рис.40б), так как к каждому вентилю в закрытом состоянии прикладывается суммарное напряжение обеих полуобмоток. Максимальное значение прямого тока, протекающего через вентиль,

2E 2 i = amax будет точно таким же, как в предыдущей схеме: R d (рис.40в), а Id I = среднее его значение будет определятся, как a 2 (рис.40в,г), так как каждый вентиль проводит ток нагрузки только в течение половины периода. Двуполупериодным выпрямителем является и однофазная B1 +(-) B4 мостовая схема (рис.41а). Здесь e2 силовой трансформатор имеет од- U1 B3 B2 ну вторичную обмотку, которая -(+) а) подключается к диагонали моста, Rd id образованного вентилями В1-В2В3-В4. Причём вентили В1 и В2 e2 включены так, что у них объединены в общую точку катоды, поπ 2π этому эту вентильную группу на0 Θ б) зывают катодной, а вентили В3 и iamax В4, у которых объединены аноды, id Id называют анодной группой. Между точками общих анодов и обΘ в) 0 щих катодов включается нагрузка Ed Ud Rd. На интервале (0 ÷ π ) поляр0 Θ г) ность Э.Д.С. е2 показана на рис.41а без скобок. Под действиРис. 41 ем этой Э.Д.С. начинает протекать ток через вентиль В1, сопротивление нагрузки Rd и вентиль В3. Этот ток создаёт на сопротивлении нагрузки падение напряжения Ud. В точке ( π ) полярность Э.Д.С. е2 меняется на противоположную (показана в скобках на рис.41а), поэтому проводившие ток вентили В1 и В3 закрываются, а открываются вентили В2 и В4, и на интервале (0 ÷ 2 π) ток протекает через вентиль 42

В2, сопротивление нагрузки Rd и вентиль В4, причём направление этого тока в нагрузке осталось прежним, и прежней осталось полярность падения напряжения Ud (рис.41в,г). Поскольку ток нагрузки протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов питающего напряжения, то этот выпрямитель, так же как и предыдущий, является двухполупериодным. Пульсность р этих схем выпрямления, как видно из рис.41в,г, равняется: р=2. Параметры выпрямленного напряжения и тока в этой схеме, такие же, как и в предыдущей схеме выпрямления:

Id =

E d = 0.9E 2 ;

(30)

0.9E 2 Rd ;

(31)

K СХ = 0.9 . (32) Параметры, по которым выбираются силовые вентили, в этих схемах так же одинаковы, за исключением максимального обратного напряжения:

i amax =

I aср. =

2E 2 Rd ;

Id 2

;

(33) (34)

А максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилям в мостовой схеме, равно:

U вобр.max = 2 E 2 .

(35) Простейшей схемой трёхфазного выпрямителя является трехфазная нулевая схема (рис.42а). Она включает в себя силовой трёхфазный трансформатор, первичные обмотки которого могут быть соединены как звездой, так и треугольником, а вторичные обмотки должны быть соединены только звездой, чтобы был вывод от нулевой точки. В цепь вторичной обмотки каждой фазы включаются вентили В1,В2,В3, которые могут образовывать либо катодную группу (с общим катодом), либо анодную группу (с общим анодом). Между нулевой точкой трансформатора и общей точкой вентилей включается сопротивление нагрузки Rd. На рис.40б изображены Э.Д.С. фаз a, b и c. В любой момент времени ток протекает по цепи того вентиля, который включён в фазу с наибольшим потенциалом. В точке Θ = 0 наибольший потенциал, как видно из рис.42б, в фазе а, поэтому на интервале от Θ = 0 до точки 1 открыт вентиль В1, и по нему через сопротивление нагрузки протекает ток (рис.42в), под действием Э.Д.С. е2а (рис.42б). Но как только открывается вентиль В2, вентиль В1, проводивший ток, закрывается, так как через открывшийся вентиль В2 будет прикладываться наибольший потенциал фазы 43

b к катоду вентиля В1, а потенциал фазы а, меньший, чем потенциал фазы b, прикладывается к его аноду. Следовательно, вентиль В1 окажется под обратным, запирающим напряжением между фазой b и фазой а (линейное напряжение b-a) и закроется в точке 1, а ток в цепи нагрузки будет протекать через вентиль В2 вплоть до точки 2, где наибольший потенциал уже будет в фазе С, и, следовательно, откроетТр ся вентиль В3, а вентиль В2 закроe2a e2b e2c ется в точке 2 по а) Rd id уже описанному B1 B2 B3 процессу. Переключение тока наia1 ia2 ia3 грузки с одного вентиля на другой e2 e2b e2c e2a e2b называют коммутацией вентилей, 1 2 3 4 Ed а процессы, соΘ 0 б) провождающие коммутацию, называют коммутационными процесiamax Ia1 ia1 сами. В рассмотренном случае Θ в) 0 коммутация вентилей происходит естественным пуia2 Ia2 тём, под действиΘ 0 г) ем напряжения питающей сети и ia3 поэтому называетIa3 ся естественной Θ д) 0 коммутацией, а точки 1,2,3, и т.д. Id id (точки пересечеΘ е) ния фазных Э.Д.С. 0 Θ фаз a, b и c) назыUВ1 ваются точками ж) UВ1обр.max естественной Uba Uca Рис. 42 коммутации, так 44

как именно в этих точках происходит переключение тока нагрузки с одного вентиля на другой. Из рис.42в, г, д, следует, что каждый вентиль проводит 1

ток в течение 3 части периода, а в течение 23 периода – закрыт. Ток нагрузки (рис.42е) представляет собой сумму анодных токов всех трёх вентилей, а напряжение на нагрузке, т.е. выпрямленное напряжение Ud, представляет собой верхние участки синусоид e2a, e2b, e2c между точками 0 ÷1, 1 ÷2, 2 ÷3 и т.д.(на рис.42б выделено жирными линиями). Очевидно, что пульсность р в этой схеме выпрямителя равна р = 3. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения может быть найдена по формуле:

Ed =

1

5 π 6

∫

2π 3 π 6

2E 2 sinΘ dΘ = 1.17E 2

;

(36)

2π - период повторяемости Ud; 3 π 5π ; - пределы интегрирования, соответствующие точкам 1 и 2; 6 6 подынтегральная функция представляет собой Э.Д.С. e2b. Коэффициент схемы этого выпрямителя равен, как следует из (36) Ксх = 1.17. Постоянная составляющая выпрямленного тока находится, как где:

Id =

E d 1.17E 2 = Rd Rd .

(37)

Максимальный анодный ток вентилей находится из выражения:

i amax =

2E 2 Rd .

(38)

Среднее значение анодного тока каждого вентиля, т.е. его постоянная составляющая, определяется, как

I a1 = I a2 = I a3 =

Id 3 ,

(39)

так как каждый вентиль проводит ток только в течение 13 периода. Обратное напряжение на вентиле, например, на В1, строится следующим образом (рис.42ж): обратное напряжение на вентиле есть разность между потенциалом анода вентиля и потенциалом катода. На интервале от 0 до точки 1 вентиль В1 открыт. Следовательно, пренебрегая малой величиной падения напряжения между анодом и катодом открытого вентиля, можно считать напряжение на нём равным нулю. В точке 1 вентиль В1 закрывается и, как уже было описано выше, напряжение на нём будет изменяться как ли45

нейное напряжение между фазой b и фазой c, приложенное к вентилюВ1 в запирающем направлении. В точке 2 открывается вентиль В3, а вентиль В2 закрывается; поэтому к катоду вентиля В1 через открывшийся вентиль В3 будет прикладываться потенциал фазы c – e2С, и вентиль В1 окажется уже под обратным напряжением между фазой c и фазой a (линейное напряжение ca). На рис.42б вертикальной штриховкой показано изменение обратного напряжения на вентиле В1. Из рис.42ж следует отметить, что максимально значение этого напряжения равно амплитуде линейного напряжения, которое, как известно, в 3 раз больше амплитуды фазного напряжения:

U Вобрmax = 3 2 E 2 .

(40) Особенностью этой схемы выпрямления является то, что токи, протекающие по обмоткам каждой фазы вторичной стороны трансформатора, являются однонаправленными из-за наличия в их цепи вентилей. Поэтому постоянная составляющая анодного тока каждого вентиля создаёт постоянный магнитный поток, подмагничивающий магнитопровод трансформатора. При большом токе нагрузки это может привести к насыщению магнитной системы и к выходу трансформатора из строя. Во избежание этого иногда вторичные обмотки трансформатора соединяют в «зигзаг» (рис.43). В этом случае вторичную обмотку каждой фазы трансформатора разделяют на две полови-

Тр

e′2a

e′2a′

•

e′2b

e′2a′ •

B1

•

e′2c

Rd

e′2a′ •

B2

•

•

B3

Рис. 43 ны и включают таким образом, чтобы ток протекал по верхней половине и по нижней половине обмотки каждой фазы в разные моменты времени, причём магнитные потоки верхней и нижней половины направлены навстречу друг 46

другу и, следовательно, постоянные магнитные потоки взаимно компенсируются. Самой совершенной из простых схем выпрямления является 3-хфазная мостовая схема (схема Ларионова) (рис.44). Она состоит из трёхфазного силового трансформатора, обмотки которого и на первичной стороне и на вторичной могут быть соединены как звездой, так и треугольником. Вторичные обмотки подключены к трёхфазному мосту, состоящему из двух вентильных групп – катодной и анодной. Между точкой общих катодов и точкой общих анодов включено сопротивление нагрузки Rd. Как следует из рис.44б, в точке Θ = 0 наибольший положительный потенциал будет в фазе a, а наибольший отрицательный – в фазе c. Поэтому на интервале от 0 до точки 1 по нагрузке протекает ток под действием разности потенциалов между фазой a и фазой c – линейного напряжения a-c. При этом ток протекает через вентиль В1 в катодной группе и вентиль В2 – в анодной. В точке 1 наибольшим положительным потенциалом станет потенциал фазы b, а наибольшим отрицательным останется потенциал фазы c. Поэтому в точке 1 откроется вентиль В3,а вентиль В1 закроется, так как окажется под обратным, запирающим напряжением между фазами a и b, и, следовательно, ток нагрузки будет протекать через вентили В3 и В2. Такое положение сохранится до точки 2, где наибольшим отрицательным потенциалом станет потенциал фазы a, и, следовательно, ток в анодной группе перейдёт на вентиль В4, связанный с фазой a, проводивший ток вентиль В2 закроется, так как окажется после открытия вентиля В4 под обратным, запирающим напряжением между фазами c и a. Аналогичные процессы повторятся в точках естественной коммутации 3, 4, 5 и т.д. Выпрямленное напряжение будет представлять собой верхние участки синусоид линейных напряжений (рис.44в). Среднее значение (постоянная составляющая) этого напряжения:

E d = 2.34E 2 ,

(41)

где 2,34 – коэффициент схемы выпрямления. Пульсность в этой схеме р = 6. Постоянная составляющая выпрямленного тока:

Id =

2.34E 2 . Rd

(42)

В трёхфазной мостовой схеме выпрямления ток во второй обмотке каждой фазы представляет собой знакопеременную функцию (на рис.44г изображён ток вторичной обмотки фазы a). Это происходит потому, что на участках проводимости вентилей В1 и В4, связанных с фазой a, ток обмотки протекает в разных направлениях, следовательно, этот ток не имеет постоянной составляющей, и в трансформаторе принципиально отсутствует постоянное подмагничивание в отличие от нулевой схемы выпрямления. Из рис.44г можно определить максимальный ток вентиля: 47

3 2E 2 . Rd

i amax =

(43)

Тр e2a

e2b

а)

e2c

B4

B1

B6

B3

B2

B5 Rd

e2 e2a

e2b

1

e2c

3

e2a

5

e2b

e2c

7

Θ

б)

Θ

в)

0

Θ

г)

UВ1

Θ

д)

0 2

ac bc ba ca

4

cb

6

ab ac

bc ba ca

Ud

Ed

0 i2a

2 π 3

iamax

UВобрmax Рис.44 48

Среднее значение анодного тока каждого вентиля:

I aср =

Id 3 ,

(44)

так как здесь, так же как и в предыдущей схеме, каждый вентиль проводит 1

ток в течение 3 периода. Максимальное обратное напряжение на вентилях:

U в.обр.max = 3 2E 2 ,

(45) что следует из рис.44д, где построена кривая обратного напряжения на вентиле В1. Существуют и более сложные схемы трёхфазных силовых выпрямителей, но они, как правило, строятся на базе уже рассмотренных выше схем. ГЛАВА III Транзисторы. Транзистором называют полупроводниковый прибор с электронно-дырочными n переходами, предназначенный для усиления и Э К генерирования электрических сигналов и имеющий три или более выводов. Наиболее широкое распространение получили биполярные транзисторы, выполненные с двумя р взаимодействующими p-n-переходами и имеющие три вывода от различных областей полупроводника. Структура биполярного Б Рис.45 транзистора изображена на рис.45. Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы (омические контакты, не имеющие контактной разности потенциалов). Среднюю область транзистора, расположенную между электронно-дырочными переходами, называют базой. Примыкающие к базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неё наиболее эффективно проходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы p-n-переход между базой и этой областью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители, то есть осуществлял экстракцию носителей из базы.

49

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а p-n-переход между базой и эмиттером – эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей из базы, называют коллектором, а p-n-переход между базой и коллектором – коллекторным (рис.45). На принципиальных схемах транзистор изображают символом, представленным на рис.46б. Стрелкой обозначают область эмиттера, причём, если чередование областей с различным типом проводимости такое, как на рис.46а, то такой транзистор называют транзистором p-n-p типа, стрелка эмиттера направлена внутрь. Если чередование областей другое (рис.47а), то транзистор называют n-p-n типа, и в его схематическом изображении стрелка эмиттера направлена наружу (рис.47б). В обоих типах транзисторов физические процессы аналогичны, они различаются только типом инжектируюемых и собираемых носителей и имеют одинаково широкое применение. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение транзистора называют нормальным. Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистора называют инверсным. При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности: Э

p

n

p

К

Б Э

n

p

n

а) К

Б

Э

Б Э

б)

К

а) К

Б

Рис.46 Рис.47 б) 1. Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода. 50

2. Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной ёмкости переходов, т.е. к изменению частотных свойств транзистора. 3. При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры. Оба p-n-перехода в транзисторе являются взаимодействующими, т.е. ток одного перехода может влиять на величину тока другого перехода, что и обусловливает усилительные свойства транзистора. Вообще усилителем называют устройство, которое посредством слабого энергетического воздействия управляет потоком энергии мощного источника. Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на примере рис.48. К транзистору подключают два источника Э.Д.С.: Е1 – Э.Д.С. источника входного сигнала, и Е2Э.Д.С. источника питания (мощного источника). Э.Д.С. Е1 подключается так, чтобы эмиттерный переход был открыт, а Э.Д.С. Е2 должна закрывать коллекторный переход. Тогда при отсутствиитогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигEп1 Еп2 нала ( во входной цепи транзистора ) нет тока и в цепи источника питания ( p - + n + - p Э К в выходной цепи ). Стро+ го говоря, в выходной + + -+ + - + цепи будет протекать - очень маленький ток + + -+ - - -+ - + + обратный ток закрытого + + -+ - - - + - + + коллекторного перехода, RH Б но им ввиду его малости IK IЭ можно пренебречь. Если + + же во входной цепи транзистора создать под дейE2 E1 ствием источника Е1 каРис.48 кой-то ток Iэ, то дырки, являющиеся основными носителями в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом в цепи источника питания появится ток- ток коллектора Iк, который, протекая, по сопротивлению нагрузки Rн, создает там падение напряжения : 51

U = Iк ⋅ Rн ,

(46)

которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала. Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному. Поэтому ток коллектора Iк принципиально меньше тока эмиттера Iэ. Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:

α =

Iк . Iэ

(47)

Чтобы увеличить коэффициент передачи область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом удается достичь величины коэффициента передачи по току α=0,95÷0,99 и более. Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет (α<1), все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока Iк падение напряжения на сопротивлении нагрузки Iк⋅Rн может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания. Отметим, что в транзисторах типа n-p-n все описанные процессы протекают точно также, но Рис.49 полярность источников E1 и Е2 должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника Е2(рис.49). Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя, так как под действием внешних источников Е1 и Е2 толщина p-n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция. Это приводит к ряду особенностей: 1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее ко52

личество их достигнет коллекторного перехода и будет участвовать в образовании тока коллектора Iк. Это приведет к изменению коэффициента передачи по току α. 2. Изменение тока Iк при Iэ=const приводит к зависимости Iк от Е2, т.е. к изменению сопротивления коллекторного перехода. 3. Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-n-перехода. 4. Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т.е. к изменению частотных свойств транзистора. 5. Изменение ширины базы влияет на величину тока Iэ при неизменном значении Е1. Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания Е2 ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области. При этом α=1, а транзистор пробивается. Три схемы включения транзистора.

Как было рассмотрено на примере, для усиления электрического сигнала в цепь транзистора необходимо включить два источника – входного сигнала Е1 и источника питания Е2. Поскольку транзистор имеет три вывода (эмиттер, база, коллектор), а два источника питания имеют четыре вывода, то обязательно один из выводов транзистора будет общим для цепи источника Е1, и цепи источника Е2, т.е. одновременно будет принадлежать и входной цепи и выходной. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Схема с общей базой.

Рассмотренный выше пример построения усилителя электрических сигналов с помощью транзистора является схемой включения с общей базой. Основные параметры, характеризующие эту схему включения получим следующим образом: 1. Коэффициент передачи по току: α =

Iк ≈ 0 , 95 ÷ 0 , 99 Iэ

(48)

53

2. Входное сопротивление:

RвхБ =

Е1 Iэ

(49)

Индекс Б в (49) указывает на отношение этого параметра к схеме с общей базой. Из (49) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении. Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала. 3. Коэффициент передачи по напряжению: Iк ⋅ Rн Iк ⋅ Rн Rн = К UБ = =α ⋅ (50) Е1 Iэ ⋅ R ВХБ R ВХБ Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим, так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки Rн и входным сопротивлением. 4. Коэффициент передачи по мощности:

К РБ = α ⋅ КUБ

(51)

Схема с общим эмиттером.

В этой схеме, (рис.49), попрежнему источник входного сигнала Е1 включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания Е2 включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу, и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала Е1 в базовой цепи протекает ток Iб; происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя таким образом, ток в цепи коллектора Iк, который протекает под действием источника питания Е2 через эмиттер и базу. Поэтому: Iэ=Iб+Iк (52) Входным током является ток базы Iб, а выходным -ток коллектора Iк. Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении на54

грузки Rн. Основные параметры, характеризующие эту схему включения определим из выражений: 1. Коэффициент передачи по току β: Iк Iк = Iб Iэ − Iк

β =

(53)

Поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на Iэ, получим: Iк Iэ β = Iэ − Iк Iэ

=

α

(54)

1 − α

Из (54) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току значительно больше 1, так как α- величина, близкая к единице. 2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:

R ВХ

Э

=

Е1 Е1 = IБ IЭ − IК

(55)

Поделив в этом выражении числитель и знаменеатель на Iэ, получим:

R ВХ

Э

=

IЭ

Е1 R ВХ Б IЭ = − IК 1−α IЭ

(56)

Отсюда следует, что: RВХ Э >> RВХ Б Т.е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. 3. Коэффициент передачи по напряжению Кuэ:

Кuэ =

I К ⋅ RН I ⋅R R α = К Н = ⋅ Н Е1 I Б ⋅ RВХ Э 1 − α RВХ Э

(57)

Подставляя сюда Rвхэ из (56), получим:

Kuэ

=

α

1 − α

⋅

RН R ВХ

= α Э

RН R ВХ

(58) Б

Т.е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой: Кuб=Кuэ 4. Коэффициент передачи по мощности:

Kpэ = β ⋅ Кuэ =

α

2

1−α

⋅

RН , R ВХ Б

(59) 55

Что значительно больше, чем в схеме с общей базой. Схема с общим коллектором.

Исходя из принятых отличительных признаков схема включения транзистора с общим коллектором должна иметь вид (рис.51а). Однако в этом случае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-за ряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме (рис.51а) просто механически меняют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальное включение транзистора (рис.51б). В этой схеме сопротивление нагрузки Rн включено во входную цепь; входным током является ток базы Iб; а) выходным током является ток эмиттера Iэ=Iк+Iб . Основные параметры этой схемы следующие: 1.

Коэффициент передачи по току :

γ =

Рис.51 б)

IЭ IЭ = IБ IЭ − IК

(60) Поделив числитель и знаменатель этой дроби на Iэ, получим: IЭ IЭ 1 γ = = IЭ − IК 1−α IЭ

(61)

Т.е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером: β≈γ

2. Входное сопротивление Rвхк:

R ВХ

56

К

=

Е1 + I Э ⋅ R Н IБ

(62)

Преобразуя это выражение, получим: Е I Э ( 1 + RН ) R + RН IЭ = ВХ Б RВХ К = 1−α I Э (1 − α )

(63)

Из (63) следует. что входное сопротивление в этой схеме включения оказывается наибольшим из всех рассмотренных схем. 3. Коэффициент передачи по напряжению: I Э ⋅ RН Kuк = I Б ⋅ R ВХ К Преобразуем это выражение с учетом (60) и (62): RН RН Kuк = = (1 − α ) R ВХ К R ВХ Б + R Н

(64)

(65)

Поскольку RвхБ представляет собой очень малую величину, то можно считать, что Кuк≈1 т.е. усиления по напряжению в этой схеме нет. 4. Коэффициент передачи по мощности Кpк: Kp K = γ ⋅ Ku K =

1 RH 1 − α ( RВХ Б + RH )

(66)

что может значительно превышать единицу. Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а вовторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине (Кuк≈1) и по фазе. Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала. Статические характеристики биполярного транзистора.

Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. Каждая из схем включения транзистора характеризуется четырьмя семействами статических характеристик: 1. Входные характеристики представляют собой зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве напряжения на выходе: I ВХ = f (U ВХ ) при U ВЫХ = const (67) 57

Выходные характеристики-это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока: I ВЫХ = f (U ВЫХ ) при I ВХ = const (68)

2.

3. Характеристика обратной связи по напряжению: U ВХ = f (U ВЫХ )

при

I ВХ = const

(69)

4. Характеристика передачи по току: I ВЫХ = f ( I ВХ ) при U ВЫХ = const

(70)

Наиболее часто на практике используют входные и выходные характеристики, которые обычно приводятся в справочной литературе и представляют собой усредненные зависимости большого числа однотипных транзисторов. Две последние характеристики применяют реже и, к тому же, они могут быть построены из входных и выходных характеристик. Статические характеристики для схемы с общей базой.

1. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость: I Э = f (U ЭБ )

p

n

p

при

U КБ = const

(рис.52)

При UкБ=0 входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольтамперной характеристики эмиттерного перехода. При UкБ<0 эта характеристика смещается немного выше оси абсцисс, так как при отсутсвии входного сигнала (Е1=0) через запертый коллекторный переход протекает маленький обратный ток Iк0, который создает на объемном сопротивлении базовой области rБ падение напряжения, приложенное к эмиттерному переходу в прямом направлении (рис.53). Именно это падение напряжения и обусловливает протекание через эмиттерный переход маленького прямого тока и смещение вверх входной характеристики (рис.52).

При Uкэ>0 коллекторный переход смещается в прямом направлении, через него протекает прямой ток и, следовательно падение напряжения на сопротивлении базы rБ изменит полярность на противоположную, что вызовет при отсутствии входного сигнала протекание 58

через эмиттерный переход маленького обратного тока и, следовательно, смещение входной характеристики вниз (рис.52). 2. Семейство выходных статических характеристик представляет собой зависимости: I К = f (U КБ ) при I Э = const ( рис.54 ) Если Iэ=0, то выходная характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного перехода. При Iэ>0 ток в коллекторной цепи будет протекать даже при отсутствии источника коллекторного питания (Е2=0) за счет экстракции инжектированных в базу носителей полем коллекторного перехода. При увеличении напряжения Uкэ коллекторный ток практически не меняется, т.к. количество инжектированных в базу носителей не меняется (Iэ=const), а возрастает только скорость их перемещения через коллекторный переход. Чем больше уровень тока Iэ, тем больше и коллекторный ток Iк. При изменении полярности Uкэ на противоположную, меняется и включение коллекторного перехода с обратного на прямое. Поэтому ток Iк вначале очень быстро снижается до нуля, а затем изменяет свое направление на противоположное (рис.54). Статические характеристики для схемы с общим эмиттером.

1. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость входного тока (Iб) от входного напряжения (Uбэ) при фиксированных значениях напряжения Uкэ: I Б = f (U БЭ ) при U КЭ = const Вид этих характеристик показан на рис.55 При Uкэ=0 эта характеристика представляет собой прямую ветвь 59

вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. При этом коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении на напряжение источника Е1 (рис.56). При включении источника Е2 (Uкэ<0) характеристика пойдет несколько ниже предыдущей, так как в случае Uбэ=0 (рис.57) источник Е1 отсутствует и через коллекторный переход протекает маленький обратный ток Iк0 под действием источника Е2, направление которого в базе противоположно тому, когда включен источник Е1. При включении Е1 (Uбэ>0) этот ток будет уменьшаться, т.к. в цепи его протекания Е1 и Е2 будут включены встречно, а затем он перейдет через ноль и будет возрастать в положительном направлении под действием Е1. Однако в справочной литературе этим малым значением тока пренебрегают и входные характеристики представляют исходящими из начала координат. Выходные статические характеристики представляют собой зависимости: I К = f (U КЭ ) при I Б = const

2.

и показаны на рис. 58.

При Iб=0 эта характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного перехода. При Iб>0 характеристики имеют большую крутизну в области малых значений Uкэ, т.к. при условии Е2<Е1 (рис.56) коллекторный переход включен в прямом направлении; поэтому сопротивление его незначительно и достаточно небольшого изменения напряжения на нем, чтобы ток Iк изменился значительно. Более того, при Uкэ=0 (рис.56) все характеристики кроме начальной (Iб=0) исходят не из начала координат, а ниже (рис.59), так как ток коллекторного перехода в этом случае является прямым и имеет направление противоположное по отношению к обычному току коллектора. Но этим маленьким смещением характеристик пренебрегают и в справочниках представлены характеристики, исходящие из начала координат. 60

При больших значениях Uкэ характеристики идут значительно положе, так как практически все носители, инжектированные из эмиттера в базу, принимают участие в образовании коллекторного тока и дальнейшее увеличение Uкэ не приводит к пропорциональному росту тока Iк. Однако небольшой наклон характеристики все же имеется, так как с увеличением Uкэ увеличивается ширина коллекторного перехода, а ширина базовой области, с учетом ее и без того малой величины, уменьшается. Это приводит к уменьшению числа рекомбинаций инжектированных в базу носителей и, следовательно, к увеличению количества носителей, переброшенных в область коллектора. Кроме того, по этой же причине несколько снижается базовый ток Iб, а поскольку характеристики снимаются при условии Iб=const, то при этом необходимо несколько увеличивать напряжение Uбэ, что приводит к некоторому возрастанию тока эмиттера Iэ и, следовательно, тока коллектора Iк. Еще одной причиной некоторого роста Iк является то, что с увеличением Uкэ возрастает и та его часть, которая приложена к эмиттерному переходу в прямом направлении. Это тоже приводит к некоторому увеличению тока эмиттера Iэ и, следовательно, тока коллектора Iк. Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, аналогичны характеристикам транзистора с общим эмиттером.

61

Две оставшиеся статические характеристики- характеристика обратной связи по напряжению (69) и характеристика передачи по току (70)могут быть построены для всех схем включения транзистора из его входных и выходных характеристик. Пример такого построения для схемы с общим эмиттером представлен на рис.60.

В первом квадранте размещаются выходные статические характеристики транзистора : I K = f (U КЭ )

при

I Б = const

В третьем квадранте размещена входная характеристика, снятая для какогото фиксированного значения напряжения Uкэ≠0. В справочниках чаще всего даются эти характеристики для Uкэ=5в. Тогда, откладывая влево от начала координат по оси абсцисс токи базы Iб можно построить характеристику передачи по току: I К = f (I Б )

62

при U КЭ = const

Для этого из точки Uкэ=5в восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с выходными характеристиками (точки 1,2,3,4), а затем проецируем эти точки до пересечения с перпендикулярами, соответствующими базовым токам, при которых сняты выходные характеристики (Iб1,Iб2,Iб3,Iб4). По этим точкам пересечения и строим искомую характеристику Iк=f(Iб). А теперь с использованием построенной характеристики можно построить характеристики обратной связи по напряжению: U БЭ = f (U КЭ )

при

I Б = const

Для этого, задавая дискретные значения напряжений Uкэ на оси абсцисс и восстанавливая из этих точек перпендикуляры, переносим точки пересечения с соответствующими выходными характеристиками в четвертый квадрант, используя при этом в качестве переходной характеристику Iк=f(Iб) и характеристику входную Iб=f(Uбэ). При этом считаем, что при Uкэ>5в все входные характеристики идут настолько близко друг к другу, что практически сливаются с характеристикой при Uк=5в. Эквивалентные схемы транзистора.

Реальный транзистор при расчете электронных схем можно представить в виде эквивалентной схемы (рис.61).

Здесь оба электронно-дырочных перехода, эмиттерный и коллекторный представлены диодами Д1 и Д2, а их взаимодействие учитывается генераторами токов, которые генерируют токи :

αN ⋅ I1 − в нормальном включении (αN-коэффициент передачи транзистора в нормальном включении):

63

α I ⋅ I2

в инверсном включении. (αI-коэффициент передачи по току в инверсном включении). Собственные сопротивления различных областей транзистора учитываются сопротивлениями: rэ (сопротивление эмиттерной области); rБ (сопротивление базы ); rКсопротивление коллектора). Рассмотренная схема является эквивалентной схемой транзистора по постоянному току, так как не учитывает ряда факторов, оказывающих существенное влияние на переменную составляющую. Поскольку транзистор в большинстве случаев усиливает сигналы переменного тока, то его эквивалентная схема будет несколько иной (рис.62). Здесь: α =

dI dI

,

U

К

= const

rЭ =

dU Э , dI Э

U

К

= const

rК =

dU K , dI K

I Э = const

μ ЭК =

dU Э , dU К

К

- динамический коэффициент передачи по току.

Э

I Э = const

- динамическое сопротивление эмиттера. - динамическое сопротивление коллектора.

- динамический коэффициент внутренней обратной свя-

зи по напряжению. rБ-объемное сопротивление базы. Cк-емкость коллекторного перехода. Транзистор как линейный четырехполюсник.

Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис.63)-“черного ящика” с произвольной, но неизменной структурой, которая 64

определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами (U1;I1;U2;I2). В зависимости от того какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие- за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I1 и выходное напряжение U2, а за зависимые-выходной ток I2 и входное напряжение U1. Тогда система уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так: U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2 (71) I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 2 Физический смысл коэффициентов h11, h12, h21, h22, называемых hпараметрами установим следующим образом: Если в первом уравнении положить U2=0 (к.з. навыходе), то параметр h11 можно найти: U h11 = 1 , при U2 = 0 I1 Это входное сопротивление транзистора rвх. Если в этом же уравнении положить I1=0 (х.х. на выходе), то параметр h12 равен:

h12 =

U1 , U2

при

I1 = 0

Это коэффициент внутренней обратной связи по напряжению. Аналогичным образом из второго уравнения находим: I U2 = 0 h 21 = 2 , при I1 Это коэффициент передачи транзистора по току.

h22 =

I2 U2

,

при

I1 = 0

Это выходная проводимость транзистора Yвых, вместо которой чаще используют обратную величину:

1 = R ВЫХ h 22

65

С учетом h-параметров эквивалентная схема транзистора выглядит следующим образом (рис64).

Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряжения h12U2, который учитывает взаимовлияние между коллекторным и эмиттерным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h21I1, в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, когда под действием входного тока I1, в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h21I1.

h11 и h22 - это соответственно входное сопротивление и выходная проводи-

мость транзистора. Для различных схем включения транзистора h-параметры будут различны. Так для схемы для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются (рис.65): U1 = U БЭ;

I1 = I Б ; U2 = UКБ ;

I2 = IК .

Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и hпараметры по переменному току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с общей базой они определяются по выражениям:

66

h11Б =

ΔU ЭБ , при U КБ = const ΔI Б

(72)

h12 Б =

ΔU ЭБ , ΔU КБ

(73)

при I Э = const

h21 Б =

ΔI К , ΔI Э

h22 Б =

ΔI К , Δ U КБ

при U КБ = const

(74)

I Э = const

(75)

при

Индекс Б говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входными и выходными величинами являются (рис.66):

U1 =UЭБ; I1 = IБ ; U2 =UКЭ; I2 = IК.

А h-параметры определяются из соотношений:

ΔUЭБ , при UКЭ = const ΔIБ

(76)

h12Э =

ΔUЭБ , при IБ = const ΔUКЭ

(77)

h21Э =

ΔIК , при UКЭ = const ΔIБ

(78)

h22Э =

ΔIК , при IБ = сonst ΔUКЭ

(79)

h11Э =

h-параметры можно определить и графическим путем, используя семейства входных и выходных характеристик транзистора. Так, для схемы с общим эмиттером семейства входных и выходных характеристик представлены на рисунках 67 и 68. Входные характеристики транзистора в справочниках обычно представлены двумя кривыми, снятыми при Uк=0 и Uк=5В. Все остальные входные характеристики при Uк>5В настолько близко расположены друг от друга, что практически сливаются в одну характеристику. Поэтому откладывая на оси абсцисс выходных характеристик Uк=5В, восстанавливаем из этой 67

UK=0

UK=4B UK=5B

точки перпендикуляр до пересечения с какой-либо из средних характеристик, например, Iб2 (точка А). Точке А соответствует коллекторный ток IкА. Тогда, давая приращение току Iк при неизменном Uк на величину ΔIк, например, до пересечения со следующей характеристикой (Iб3), получим точку В. Приращение базового тока ΔIб при этом соответствует разности : ΔIб=Iб3-Iб2.

(80)

Подставляя найденные величины ΔIк и ΔIб в ( 78) получаем:

h21Э =

ΔI К , ΔI Б

при

U КЭ = const

(81)

Давая теперь приращение напряжению Uк на величину ΔUкэ до точки С, соответствующей началу загиба характеристики, получим напряжение Uкс. Точке С соответствует коллекторный ток Iкс на оси ординат. Находя разность токов IкC и IкА, получим:

ΔIК′ = IКС −IКА.

Подставляя найденные значения ΔI′к и ΔUкэ в (79), получим:

h22 Э =

Δ I К′ , Δ U КЭ

при

I Б = I Б 2 = const

(82)

Теперь на оси ординат входной характеристики отложим величину тока базы IБ2=IБА. Используя входную характеристику при Uк=5В, найдем напряжение UЭБА. Давая приращение току базы на величину ΔΙ′б, находим приращение напряжения ΔUэб:

ΔUЭБ =UЭБА′ −UЭБА

Подставляя найденные значения ΔUэб и ΔI′б в (78), получаем: 68

h11 Э =

Δ U ЭБ , Δ I Б′

при

U КЭ = const

(83)

Для нахождения параметра h12 необходимы две входные характеристики, снятые для Uк≠0. Предположим, что кроме приведенных входных характеристик была бы еще одна, снятая, например, для Uк=4В. ( показана на рис.67 пунктиром). Тогда, находя на этой характеристике точку А’’, соответствующую базовому току IБА, можно было бы определить:

′ = UЭБ А −UЭБА′′ ΔUЭБ

′ = UКА −UКА′′ = 5 − 4 =1В, и ΔUКЭ

где UкА и UкА′′-значения напряжений на коллекторе, при которых сняты входные характеристики с точкой А и точкой А′′. Подставляя найденные значения в (77) можно было бы получить:

h12 =

′ ΔUЭБ , ′ ΔU КЭ

при I Б = I БЭ = const

(84)

Использование для нахождения этого параметра входной характеристики при Uк=0 дает большую погрешность, так как при малых значениях Uк входные характеристики располагаются далеко друг от друга, а затем их густота возрастает и уже при U≈5В они практически сливаются друг с другом. Поскольку в справочниках обычно приводится входная характеристика только для одного Uк≠0; то определять параметр h12 в нашем случае невозможно. Режимы работы транзистора.

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис.69) При изменении величины входного сигнала Uвх будет изменяться ток базы Iб. Ток коллектора Iк изменяется пропорционально току базы:

IК = β ⋅IБ

(85)

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис.70).

69

На оси абсцисс (рис.70) отложим отрезок, равный Ек-напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отреIБ НАС зок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника: I Кm =

ЕК RК

(86)

Между этими точками проведем прямую линию, которая назыв ается линией нагрузки и описывается уравнением: E − U KЭ IК = K , (87) RK где: Uкэ-напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; Rк-сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Из (86) следует, что:

RК =

ЕК = tg α I Кm

(88)

и, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением Rк. Из рис. (70) следует, что в зависимости от тока базы Iб, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение Uкэ, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при Iб=0), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик. Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей Iб=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора-эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода –Iко, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания Ек падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

UКЭ≈ЕК А падение напряжения на нагрузке URК очень мало и равно: 70

U RK = I K 0 ⋅ R K

(90)

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа. Если теперь увеличивать базовый ток Iб, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2.Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2 (на рис.70 показана пунктиром), называется током базы насыщения IБНАС. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока Iк. Зона между осью ординат и крутоизменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

I Km ≈ I K max

(91)

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора Uко оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа. Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный-в обратном. Предельные режимы работы транзистора.

В паспортных данных каждого транзистора указывается его предельно допустимая мощность рассеивания, превышение которой недопустимо, так как ведет к тепловому разрушению полупроводниковой структуры. Возьмем это значение мощности Pкдоп и, учитывая, что оно равно:

PК ДОП =UКЭ ⋅ IК ДОП

(92)

71

будем задавать дискретные значения Uкэ: Uкэ1, Uкэ2, Uкэ3 и т.д. и для каждого этого значения напряжения вычислим предельно допустимое значение коллекторного тока Iк доп:

IК

ДОП 1

=

РК

ДОП

U КЭ 1

;

IK

ДОП 2

=

PK

ДОП

U КЭ 2

и

т .д .

(93)

Отложим эти значения напряжений и токов в осях координат (рис.71) и построим по полученным точкам кривую, называемую гиперболой допустимых мощностей. Эта кривая делит всю площадь первого квадранта на рабочую и нераIK IKm

EK

Рис. 71

UКЭ

Рис.72

бочую области. Если теперь совместить эту кривую с выходными характеристиками транзистора (рис.72), то очевидно, что линия нагрузки не должна выходить за пределы рабочей области, чтобы не вывести транзистор из строя. Расчёт рабочего режима транзистора. UВХ

t

EСМ

Рис.73 72

t

Как уже было отмечено выше, в подавляющем большинстве случаев транзистор усиливает сигналы переменного тока, т. е. на вход транзистора подается чаще всего знакопеременный сигнал. Но поскольку эмиттерный р-n переход, обладает вентильными свойствами, то через него пройдет только положительная полуволна входного сигнала, а отрицательная полуволна будет им срезана и, следовательно, усиливаться не будет. Для того, чтобы

этого не было, чтобы усилить весь сигнал, во входную цепь транзистора вводят так называемое смещение. Смысл смещения ясен из рис.(73). Знакопеременный входной сигнал Uвх накладывается на постоянное напряжение смещения Есм таким образом, что результирующее напряжение UБЭ остается однополярным и, следовательно, может быть усилено транзистором. Поэтому принципиальная схема усилительного каскада в этом случае выглядит так, как представлено на рис.(74). Источник напряжения смещения создает во входной цепи транзистора постоянный по величине ток смещения Iсм. Для того чтобы исключить влияние источника Есм на источник входного сигнала в цепь вводится разделительный конденсатор С1 , который пропускает переменный входной сигнал, но создает развязку по постоянной составляющей. Для такой же цели служит выходной разделительный конденсатор С2, который пропускает переменную составляющую выходного напряжения и не пропускает его постоянную состав-ЕК RK

-ЕК R1

Iд

С2

RK С2

С1

С1

UВЫХ.

UВЫХ. UВХ. ЕСМ.

IСМ.

UВХ.

R2 IСМ

Рис.75

Рис.74

ляющую. Смещение может вводится как при помощи отдельного источника Есм (рис 74), так и с использованием для этой цели источника коллекторного питания Ек. Это можно сделать при помощи делителя напряжения R1 и R2 (рис 75). Ток Iд, протекающий по делителю напряжения R1-R2 под действием источника питания Ек, создает на резисторе R2 падение напряжения -ЕК Rб

RK

С1

С2

I R 2 = I д ⋅ R2 ,

(93) которое должно быть равно требуемой величине напряжения смещения Есм. При расчете делителя ток Iд выбирают в несколько раз больше тока смещения:

I д = (3 ÷ 5) I см

UВХ Рис.76

(94) Избыточное напряжение источника питания падает на резисторе R1: I д ⋅ R1 = Е к − U R 2 . (95) Другой способ введения смещения за73

ключается в использовании баллстного резистора R б в базовой цепи транзистора (рис.76). В этом случае ток, протекающий по цепи: +Е к, эмиттер-база транзистора, R б, (-Е к) должен быть равен току смещения: E − U кэ I см = к (96) Rб Отсюда величина Rб должна быть равна: Е − U кэ Rб = к (97) I см Динамические характеристики транзистора.

Характеристики транзистора, когда в его выходную цепь включа-EK RK ют различные виды нагрузок назыC2 вают динамическими, а режимы, возникающие при этом – динамичеC1 скими режимами. Рассмотрим работу транзиRH UВЫХ + сторного усилительного каскада, ЕСМ UВХ. включенного по схеме с общим эмиттером (рис.77). Если входной сигнал отсутствует (Uвх=0), линия Рис.77 нагрузки может быть построена опиEК санным ранее методом по двум точкам: E К на оси абсцисс и I Км = на RК IK

IБ С

IKm

α’

IБ max IБ3 А

IБ min

IБ1 UБЭmin

I0К

IБ=0 U0КЭ

74

А

IСМ.

IБ2=IБ см.

В

а)

UK<0

IБ4

α

IKm

UK=0

ЕК

UБЭmax UБЭ

EСМ. UКЭ UВХ.

Рис.78

б)

оси ординат. Для того, что бы искажения усиливаемого сигнала были минимальными, смещение надо выбрать так, чтобы начальная рабочая точка (при отсутствии входного сигнала) располагалась в середине линейного участка входной характеристики (точка А на рис.78б). Тогда при изменении входного сигнала напряжение U БЭ будет изменяться в диапазоне от U БЭ min до U БЭ max , вызывая изменение базового тока от I Б min до IБ max . Коллекторный ток при этом будет изменяться относительно начального коллекторного тока I 0 K (рис.78а), соответствующего базовому току IСМ , в сторону увеличения и в сторону уменьшения на величину амплитуды переменной составляющей I Km . Выходное напряжение U KЭ при этом будет тоже изменяться от начального значения U 0 KЭ в большую и в меньшую сторону на величину ам'

плитуды своей переменной составляющей U КЭ . Отметим, что в рассматриваемой схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличению базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжение U 'KЭ при этом уменьшается. Из чего следует, что в этой схеме входное и выходное напряжение изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор С 2 и выделяется на нагрузке R H . В качестве нагрузки может служить и входное сопротивление следующего каскада усиления, а характер нагрузки в общем случае может быть различным. По переменному току нагрузка усилительного каскада Rн состоит из параллельно включенных сопротивлений R K и R H (рис.77) R ⋅R R 'H = K H , (98) RK + RH а по постоянному току – только R K . Поэтому и линия нагрузки по постоянной и переменной составляющим будет проходить по разному. Так, ес' ли сопротивление нагрузки R Н по переменному току меньше R K – сопротивления по постоянному току, то линия нагрузки будет проходить через ту же рабочую точку А, но под другим углом α ' : α' = arctgR'H ,

(99)

75

следовательно пойдет круче. Построить ее можно следующим образом: влево от точки А откладываем U Km - амплитудное значение переменной составляющей выходного напряжения (отрезок АВ), а затем перпендикулярно этому отрезку откладываем вверх амплитудное значение тока переменной составляющей I Km =

U Km (отрезок ВС). Проводя прямую через точки С и А, поR 'H

лучим линию нагрузки по переменной составляющей. Рассмотренные зависимости можно расположить на одном рисунке так, что в первом квадранте поместить выходные характеристики транзистора с построенной линией нагрузки, а в третьем квадранте –входные характеристики (рис.79). Тогда, используя точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками и входные характеристики транзистора строим переходную характеристику I K = f ( I Б ) , которая теперь, при работе с нагрузкой, называется динамической. Динамическая входная характеристика может быть получена путем переноса точек пересечения 1, 2, 3 и т.д. линии нагрузки с выходными стаIK IБ4

5

IБ3

4 3

IБ2

I0K

2

IБ1 1

IБ

IБ4

IБ3

IБ2

U0КЭ

IБ1

IБ =0

UКЭ

UСМ UВХ.

UK = 0

UK ≠0

UБК

Рис.79 тическими характеристиками на входные характеристики, снятые при соответствующим точкам 1 , 2 , 3, и т.д. напряжениях U КЭ . Но поскольку почти все входные характеристики при различных U КЭ ≠ 0 отличаются очень незначительно, практически сливаясь в одну, то ее и используют в качестве динамической входной характеристики.

76

Режимы работы усилительных каскадов.

Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя: —Режим класса А —Режим класса В —Режим класса С —Режим класса Д Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечки θ - половиной той части периода, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах. Режим класса А. Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в iK середине линейного участка вход- IK ной характеристики, а, следовательно, и проходной I K = f ( I Б ) . IK0 Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение ( EСМ + U ВХ ) не имеет отIБсм. θ IБ рицательных значений, а поэтому 2θ базовый ток, а следовательно и б) а) коллекторный ток нигде не сниiБ жаются до нуля (рис.80а). Ток в Рис.80 выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки θ равен 180o . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока I K 0 к.п.д. такого усилителя низкий, поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления. Режим класса В.

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале проходной характеристики (рис.81а). Ток нагрузки протекает 77

по коллекторной цепи iK IK транзистора только в течение одного полупеIKm риода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабоIБ π 2π чая точка будет находитθ ся в зоне отсечки. К.п.д. 2θ усилителя в режиме класса В значительно выше, чем режиме класса А, так как начальный а) Рис.81 б) коллекторный ток I K 0 здесь значительно меньше. Угол отсечки θ равен 90 o . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Режим класса С.

В режиме класса С рабочая точка А левее начальной точки проходной характеристики (рис.82а). Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки θ < 90 o . К.п.д. каскада выше чем в предыдущем случае, так как начальный коллекторный ток отсутствует. Этот режим применяют в мощных резонансных усилителях. IK

iK

IK

IБ

А

θ

2θ

а)

78

Рис.82

б)

Режим класса Д.

Иначе этот режим называется ключевым режимом. В этом режиме рабочая точка может находиться только в двух возможных положениях: либо в зоне отсечки (транзистор заперт и его можно рассматривать как разомкнутый ключ) либо в зоне насыщения (транзистор полностью открыт и его можно -ЕК IK IKm

IKmax

IK=IK0 2

RK

Rб

+ 1

IK0

UКЭ=ЕК

UКЭ UВХ

UКЭ —

UКЭ

Рис.83

Рис84.

рассматривать как замкнутый ключ). В активной зоне рабочая точка находится только в течение короткого промежутка времени, необходимого для перехода ее из одной зоны в другую. Поэтому при работе в ключевом режиме линия нагрузки может на среднем своем участке выходить за пределы гиперболы допустимых мощностей, при условии, что переход транзистора из закрытого состояния в открытое и на оборот производится достаточно быстро (рис.83). Как уже было показано выше, транзистор в режиме отсечки можно представить в виде разомкнутого ключа, так как практически все напряжение источника питания падает между его эмиттером и коллектором, а ток коллектора I K близок к нулю. Входное напряжение U ВХ приложенно к эмиттерному переходу транзистора в запирающем направлении (рис.84). В режиме насыщения во входной цепи транзистора протекает достаточно большой ток базы, при котором ток коллектора достигает максимального значения I K max , близкого к I Km — максимально возможному току в цепи источника питания. При этом напряжение U КЭ транзистора имеет минимальное значение U К 0 , близкое к нулю, что позволяет представить транзистор в виде замкнутого ключа. Отсюда и название этого режима работы – ключевой. В режиме насыщения напряжение на коллекторном переходе U БК может быть определено из рис.85

U БК = − Е К + I К ⋅ R К + U БЭ .

( 100) 79

-ЕК IK IБ

RK

UБК

+ Rб

UКЭ ≈ 0

UБЭ

UВХ —

В обычном режиме напряжение U БК смещает коллекторный переход в обратном направлении, т.е. U БК < 0 . Учитывая то, что в режиме насыщения U БЭ ≈ 0 , третьим слагаемым в выражении (100) можно пренебречь. Тогда при достаточно большом базовом токе I Б , ток коллектора I K , равный I K = β ⋅ I Б , где β –коэффициент передачи по току, может достичь величины, при которой

I K ⋅ RK ≥ Е К

Рис. 85

(101) При выполнении этого условия знак U БК в выражении (100) изменится на противоположный: U БК > 0 , т.е. коллекторный переход будет смещен в прямом направлении, так же, как и эмиттерный. Минимально значение базового тока, при котором выполняется условие (101), называется током насыIБ

щения I Бнас . . Выражение (101) называют критерием насыщения транзистора. Чем больше базовый ток значе-

а)

t1

t2

t

IК б) t t3

tф1

tp

ния I Бнас. , тем глубже насыщение транзистора, тем больше заряд инжектированных из эмиттера носителей накапливается в базе. Относительное значение этого превышения называется степенью насыщения N транзистора:

tф2

N=

I Б − I Бнас. . I Бнас.

(102)

Рис.86

Пусть на вход транзистора подан сигнал (рис.86а). На интервале (0 − t1 ) эмиттерный переход смещен в прямом направлении и по нему протекает базовый ток

I Б . При этом ток в коллекторной цепи ток начнет протекать с задержкой на время t 3 , которое требуется инжектируемых в базу носителям для прохождения расстояния, равного ширине базовой области. Затем коллекторный ток нарастает постепенно в течение времени

t ф1 , что связано с процессом накопле-

ния носителей в базе. После окончания входного импульса в точке 80

t1

входной

сигнал меняет полярность; эмиттерный переход смещается в обратном направлении и инжекция носителей в базу прекращается. Но поскольку в базе был накоплен некоторый заряд носителей, то ток коллектора еще в течение времени

t р будет поддерживаться, а затем снижаться до нуля в течение времени t ф 2 . Время t р называют временем рассасывания неосновных носителей в зоне базы. Таким образом, импульс коллекторного тока существенно отличается от входного импульса, в первую очередь, тем, что имеет заметные фронты нарастания и спадания. Фронт спадания коллекторного тока в основном определяется степенью насыщения транзистора. Поэтому с целью избежания глубокого насыщения в цепь базы обычно вводят ограничительное сопротивление

Rб . А с целью уменьшения время включения t ф1 , это ограничительное сопротивление шунтируют конденсатором

С ф , который в первый момент времени шунтирует сопротивление Rб и поэтому обеспечивает быстрое нарастание базового, а, следовательно, и коллекторного тока Iк. Затем, когда он зарядится от источника входного сигнала, ток базы потечет уже через ограничительное сопротивление Rб и будет ограничен рост тока I Б и, следовательно, степень насыщения

IБ

T

t

а)

IК IKm tф1

IK0

t

б)

tф2

UK EK

UK0

t

в)

t

г)

P

tи

tп

Рис.87 транзистора. Конденсатор С ф поэтому называют форсирующим (ускоряющий процесс включения транзистора). Рассмотрим диаграмму, отражающую величину потерь в транзисторе, работающем в ключевом режиме. На рис.(87а) представлена форма входного импульса(ток базы I Б ). На рис.(87б) упрощенно изображена форма импульса коллекторного тока I K . Для простоты будем считать, что ток базы I Б нарастает в течение фронта

t ф1 линейно до величины I Km и в течение фронта t ф2 спадает

до величины обратного тока коллекторного перехода I K 0 . На рис.(87в) показа81

но изменение напряжения на коллекторе U К от максимального значения, приближенно равного Е К до минимального значения U К 0 . На рис.(87г) представлена мощность Р , рассеиваемая на транзисторе:

1 Р= Т

t ф1

∫ 0

t

1 1 u U КЭ ⋅ i K dt + ∫ I Km ⋅ U K 0dt + T0 T

tф2

∫ 0

t

1 n U КЭ ⋅ i K dt + ∫ I K 0 ⋅ E K dt , T0

(103)

где: Т –период следования импульсов;

t и – длительность импульса коллекторного тока; t п – длительность паузы между импульсами; t и tф2 –длительность фронта нарастания и спадания тока; ф1

i K и U KЭ мгновенное значение тока и напряжения в течение фронтов нарастания и спадания. Из выражения (103) следует, что второе слагаемое, несмотря на большую величину IKm , исчезающе мало, так как U К 0 ≈ 0 . То же можно сказать и о четвертом слагаемом, которое очень мало из-за того, что I K 0 ≈ 0 . Таким образом получается, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, работающем в ключевом режиме, а, следовтельно и нагрев транзистора, в основном определяется длительностью фронтов; t ф1 и t ф 2 и частотой следования импульсов f =

1 . Потери мощности на транзисторе, обусловленные укаT

занными причинами, называются динамическими потерями или потерями на переключение. С целью снижения этих потерь следует уменьшать длительностью фронтов нарастания и спадания тока транзистора. Для этого служат так называемые форсирующие цепи, которые принудительно ускоряют процесс нарастания и спадания тока. В ключевом режиме к.п.д. оказывается очень высоким, близким к 100%. Этот режим преимущественно используется в силовых транзисторах, работающих в схемах бескотактных прерывателей постоянного и переменного тока. Влияние температуры на работу транзистора.

Транзисторы установленные в электронной аппаратуре, во время работы подвергаются нагреванию как за счет собственного тепла, выделяющего при протекании по ним тока, так и за счет внешних источников тепла, например, расположенных рядом нагревающихся деталей. Как уже указывалось выше, изменение температуры оказывает значительное влияние на работу полупроводниковых приборов. В этом отношении не составляют исключения и транзисторы. В качестве иллюстрации этого приведем пример изменения под действием температуры выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.88). Расчеты показывают, что при 82

таком значительном изменении характеристик, а с ними и параметров, работа усилительного каскада в условиях меIК няющейся температуры может стать совершенно неудовлетворительной. Для устранения этого недостатка в схемы усиt=70 ºС лителей вводится температурная стабилизация. В первую очередь это касается стаIБ=0 билизации положения начальной рабочей точки. Наибольшее распространение для этой цели получили две схемы стабилизаt=20 ºС ции: эмиттерная стабилизация и коллекторная стабилизация. IБ=0

UKЭ

Рис.88 Схема эмиттерной стабилизации.

В схеме усилительного каскада на рис.89 в цепь эмиттера включено сопротивление RЭ, Iд RK I0К шунтированное конденсатором CЭ. Для созС2 дания смещения здесь используется делитель напряжения R1 R2. В соответствии с С1 выбранным положением начальной рабочей точки, определяемой напряжением смещеUВЫХ. ния, в коллекторной цепи транзистора проR2 текает начальный коллекторный ток IОК. UВХ. СЭ RЭ Этот ток создает на эмиттерном сопротивлении RЭ падение напряжения (104) URэ=IОКRЭ . Полярность этого падения напряжения наРис.89 правлена навстречу падению напряжения на сопротивлении R2 делителя напряжения, создающего напряжение смещения. Поэтому результирующее напряжение,определяющее смещение рабочей точки составляет: (105) UОБ=UR2-URэ=IдR2-IОКRЭ. При повышении температуры транзистора его начальный коллекторный ток IОК возрастает и, следовательно, возрастает второе слагаемое в (105). Это приводит к снижению величины напряжения на базе (UОБ) и к уменьшению тока базы смещения IБсм и к снижению начального коллекторного тока IОК. То есть в данной схеме имеет место передача части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную, что называется обратной связью. Если подаваемый с выхода на вход усилителя сигнал обратной связи находится в про-ЕК

83

тивофазе со входным, ослабляет его, то такая обратная связь называется отрицательной, а если наоборот, сигнал обратной связи находится в фазе со входным сигналом и усиливает его, то такая обратная часть называется положительной. В нашем случае сигнал обратной связи (URэ) вычитается из напряжения UR2, приложенного ко входу усилителя, то есть обратная связь здесь отрицательная. Легко показать, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя, но зато стабилизирует его начальную рабочую точку. Для того чтобы усиливаемый полезный сигнал (сигнал переменного тока) не ослаблялся под действием вводимой обратной связи, параллельно сопротивлению обратной связи RЭ включается конденсатор СЭ. Имея малое сопротивление по переменной составляющей, он пропускает ее через себя, а постоянная составляющая IОК протекает через RЭ. Поэтому в сигнале обратной связи нет падения напряжения от переменной составляющей и, следовательно, не будет уменьшаться коэффициент усиления. -ЕК I0К

Схема коллекторной стабилизации.

RK

В этой схеме (рис.90) стабилизация осуществляется введением отрицательной С1 I0Б обратной связи по напряжению. Действительно, при повышении температуры возU0КЭ. растает начальный ток коллектора Iок. Это UВХ. I0Э приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении R к и к уменьшению напряжения Uок: (106) Uок=Ек – Iок Rк Рис.90 То есть отрицательный потенциал коллектора относительно эмиттера будет уменьшаться ; а поскольку он через резистор RБ приложен к базе транзистора , то и отрицательный потенциал базы относительно эмиттера будет уменьшаться , т.е. будет снижаться начальный базовый ток (ток смещения ), а начальный коллекторный ток вернется к прежнему значению. Здесь так же, как и в предыдущей схеме под действием сигнала обратной связи стабилизируется начальный коллекторный ток Iок. Чтобы при этом не снижать коэффициент усиления по -ЕК переменной составляющей и не осRK С1 Rб1 Rб2 лаблять полезный сигнал в схему С2 вводят конденсатор Сф (рис.91). В этом случае резистор R б заменяют двумя резисторами RБ1 и RБ2. ПереUВХ. СФ менная составляющая коллекторного UВХ. напряжения замыкается через конденсатор Сф и не оказывает влияние на напряжение Uбэ транзистора, а, Rб

С2

Рис.91

84

следовательно, и на коэффициент усиления полезного сигнала. Усилители постоянного тока.

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля—отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов а также источников питания. Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является использование дифференциальных усилителей. Дифференциальные усилители. +

Rд1

RК1

RК2

R’д1

-ЕК

UВых1. UВых2. R1

R4 RH

Т1

E

R2

RЭ

Rд2

R3

Т2

UВых12.

R’д2

–

Рис.92

UВХ1.

UВХ2.

Рис.93 Принцип работы дифференциального усилителя поясним на примере четырех плечевого моста (рис.92), выполненного на резисторах R1, R2, R3, R4. В одну диаганаль включен источник E, а в другую-сопротивление нагрузки RН . Если выполняется условие ( 107 ) R1/R2=R3/R4 85

то мост сбалансирован и ток в Rн будет равен нулю. Баланс не нарушится, если будут меняться напряжение Е и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение (107) сохранится. На рис.93 представлена схема простейшего дифференциального усилителя. Очевидно, что она аналогична схеме моста на рис.92, если R 2 и R 3 заменить транзисторами Т1 и Т2 и считать, R4 = RК2. Сопротивления RК1 и RК2 выбирают равными, а что R1 = RК1; транзисторы Т1 и Т2 – идентичными. Тогда при отсутствии входного сигнала Uвых1-2 также равно нулю. Температурное воздействие будет одинаковое на оба идентичных транзистора, поэтому, хотя их параметры и изменятся, но одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале, так как разность Uвых1 и Uвых2 останется неизменной. Выходное напряжение Uвых1-2 также будет равно нулю, если на входы Uвх1 и Uвх2 подадим синфазные сигналы. И только тогда, когда на входы будут поданы дифференциальные сигналы, на выходе появится разностный сигнал Uвых1-2=Uвых1– Uвых2..Отсюда и название этого устройства – дифференциальный усилитль. Операционный усилитель.

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления, высоким входным и ма+ЕК лым выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля и т.д. То есть под операВход 1 + ционным усилителем понимают высокоВход 2 – качественный универсальный усилитель. Выход –ЕК Условное обозначение операционного усилителя показано на рис.94. Вход 1, обозначенный знаком (+) называют неинвертирующим (пряРис.94 мым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком (–), называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную Е1 Вход 1 + полярность. UВХ1. Выход На рис.95 показана принципиUВХ2. альная схема усилителя . Питание осуще– Вход 2 ствляется от двух последовательно вклюUВЫХ. Е2 ченных источников, напряжения которых одинаковы, но знаки относительно заземленной точки разные. Этим обеспечивается нулевой сигнал на выходе в отсутствие Рис.95 86

входного сигнала и возможность получить выходной сигнал или положительной, или отрицательной полярности .Входной сигнал можно подавать или от двух различных источников, или от одного симметричного источника. Часто входной сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход подают сигнал с выхода операционного усилителя, вводя таким образом глубокую обратную связь. В зависимости от параметров этой обратной связи можно получить устройства с различными свойствами, способные осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и т. д). Отсюда и название этих усилителей – операционные. Полевые транзисторы.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором осуществляется изменение тока, протекающего через проводящий канал воздействием на этот канал электрическим полем . Различают два типа полевых транзисторов: 1.С управляющим р-n–переходом. 2. С изолированным затвором. Полевой транзистор с управляющим p-n–переходом.

Принцип действия такого полевого транзистора рассмотрим на примере рис.96. Возьмем монокристалл полупроводника, например, n-типа провоp димости; по торцам его методом напыЗ RH ления сформируем электроды, а посередине создадим область противоположного типа проводимости и тоже с электрическим выводом от этой обласn ти. Тогда на границе раздела областей И – + – + с различным типом проводимости возникнет р-n–переход. Назовем электриE2 E1 ческие выводы от торцевых поверхноРис.96 стей полупроводника истоком и стоком, а вывод от боковой поверхности противоположного типа проводимости назовем затвором. Подключим внешние источники Е1 и Е2 так, чтобы источник Е1 – источник входного сигнала смещал р-n–переход в обратном направлении, а в цепь источника Е2 введем сопротивление нагрузки R н. Под действием напряжения этого источника между торцевыми поверхностями полупроводника потечет ток основных носителей. Образуется так называемый канал. Площадь поперечного сечения этого канала, а, следовательно, и его сопротивление зависит от ширины р-n–перехода. Изменяя величину наС

87

пряжения источника Е1 , меняем обратное напряжение на р-n–переходе, а, значит, и его ширину. При увеличении этого напряжения ширина р-n– перехода возрастает, а поперечное сечение канала между истоком и стоком уменьшается. Можно подобрать такую величину напряжения на затворе, при котором р-n–переход полностью перекроет канал и ток в цепи нагрузки прекратится. Это напряжение называют напряжением отсечки. Таким образом, в цепи мощного источника Е2 протекает ток истока IС, величина которого зависит от величины управляющего сигнала – напряжения источника Е1 и повторяет все изменения этого сигнала. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки при протекании тока IС является выходным сигналом, мощность которого значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Принципиальным отличием полевого транзистора от биполярного является то, что источник входного сигнала подключен к р-n–переходу в обратном, запирающем направлении и, следовательно, входное сопротивление здесь очень большое, а потребляемый от источника входного сигнала ток очень маленький. В биполярном транзисторе управление осуществляется входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением. Следует отметить, что поскольку потенциал от истока к стоку возрастает, то соответственно возрастает и обратное напряжение на р-n–переходе, а, следовательно, и его ширина. Так же, как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут быть разных типов: в рассматриваемом случае – полевой транзистор с каналом nтипа проводимости и на принципиальных схемах он обозначается символом: З

И

С

Если канал имеет проводимость р-типа, то его обозначение такое же, но стрелка затвора должна быть направлена в противоположную сторону: З

И

С

Если полевой транзистор усиливает сигнал переменного тока , то в цепь затвора необходимо вводить смещение в виде источника э.д.с. достаточной величины, чтобы суммарное напряжение на р-n–переходе не изменяло свой знак на положительный , так как р-n–переход в полевом транзисторе должен быть всегда смещен в обратном направлении. Тогда электрическое поле р-n

88

перехода, поперечное по отношению к каналу, будет изменятся в точном соответствии с изменением входного сигнала, расширяя и сужая канал. В цепи стока появляется переменная составляющая тока, которая и будет представлять собой усиленный входной сигнал. Так же, как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут иметь три схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Схема включения определяется тем, какой из трех электродов транзистора общим и для входной и выходной цепи. Очевидно, что рассмотренный нами пример, является схемой с общим истоком. На рис 97 (а) представлена схема с общим затвором, а на рис 97 (б) – схема с общим стоком. Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой у биполярных транзисторов. Она не дает усиления по току, а входное сопротивление здесь маленькое, так как входным током является ток стока. Схема с общим стоком подобна схеме эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе и ее называют истоковым повторителем. У нее коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по величине и фазе повторяет входное. В этой схеме очень высокое входное напряжение и малое выходное. Основные характеристики полевых транзисторов.

1.Управляющие (стокозатворные) характеристики. (рис 98). Эти характеристики показывают управляющее действие затвора и представляют собой зависимость тока стока в функции от напряжения на затворе (Uз) при постоянстве напряжения стока (Uc):

Ic = f (Uз )

И

Uc = const

С

С

З Rн

З +

E1

-

-

а)

И Rн -

+

E2

E1

Рис.97

+

-

+

E2

б)

89

ic

U3

Ic

U 31 U 32

U c 2 > U c1 -Uз

U 33 U 34 U 35

U c1 0 Uc

Uз отс

Рис.99

Рис.98

2. Выходные (стоковые) характеристики. Семейство этих характеристик представляет собой зависимость тока стока Ic от напряжения стока Uc при неизменном напряжении на затворе Uз:

Ic = f (U C ) U 3 = const

.

Вид этих характеристик представлен на рис 99. С увеличением Uc ток сначала растет довольно быстро, но затем его рост замедляется и наступает явление, напоминающее насыщение, хотя с ростом Uc ток стока так же должен возрастать. Это объясняется тем, что с ростом Uc возрастает обратное напряжение на p-n-переходе и увеличивается ширина запирающего слоя, а ширина канала соответственно уменьшается. Это приводит к увеличению его сопротивления и уменьшению тока Iс. Таким образом, происходит два взаимно противоположных влияния на ток, в результате чего он остается почти неизменным. Чем больше запирающее напряжение подается на затвор, тем ниже идет выходная характеристика. Основные параметры полевых транзисторов.

1.Крутизна

S =

Δ Ic Δ Uз

Uc = const

,

(108 )

где: ΔIc – приращение тока стока; ΔUз – приращение напряжения на затворе; Uc – напряжение стока. Этот параметр определяют по стоко-затворным характеристикам (рис 98) 2.Внутреннее (выходное) сопротивление Ri 90

Ri =

Δ Uc Δ Ic

Uз = const

,

(109)

где: ΔUc – приращение напряжения стока; ΔIc – приращение тока стока; Uз – напряжение на затворе. Этот параметр определяют по выходным характеристикам транзистора (рис.99). 3. Коэффициент усиления

μ =

μ Δ Uc Δ Uз

Iс = const

,

(110)

Эти три параметра связаны между собой зависимостью:

μ = S ⋅ Ri , 4. Входное сопротивление Rвх.

Rвх

=

Δ Uз Δ Iз

(111)

Uс = const

,

(112)

где: ΔUз – приращение напряжения на затворе; ΔIc – приращение тока затвора; Uз – напряжение стока. Поскольку током затвора является обратный ток p-n-перехода, который очень мал, то входное сопротивление оказывается очень большим, что является основным достоинством полевого транзистора. Еще одним важным достоинством полевого транзистора является гораздо меньшая температурная зависимость по сравнению с биполярными транзисторами.Недостатком полевых транзисторов является недостаточно высокая крутизна S ,что несколько ограничивает область их применения. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: 1.Со встроенным (собственным) каналом. 2.С индуцированным (инверсионным) каналом. Устройство полевого транзистора с

Рис.100 91

Ic U 32 > 0

Режим обогащения

U 31 > 0 U3 = 0 U 31 < 0 U 32 < 0

Режим обеднения

Uc Рис.101 изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис 100. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае pтипа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n-типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон делаются электрические выводы, которые называют истоком (И) и стоком (С). На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно двуокиси кремния SiO2) , а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод. Это-затвор(З). Иногда от основания также делается вывод,который накоротко соединяют с истоком. Если в отсутствии напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через основание ток не потечет, так как один из p-n-переходов будет находится под обратным напряжением. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а, следовательно, и основания, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями -- электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения. При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного электрического поля изменится на противоположное и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из области основания. Проводимость канала увеличивается и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения. Выходные (стоковые) характеристики такого транзистора представлены на рис 101. 92

Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом.

Устройство такого транзистора показано на рис 102. От предыдущего транзистора он отличается тем,что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-n-переходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электричеРис.102 ского поля электроны из областей истока и стока, а также из областей основания, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока. Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных (стоковых) характеристик показан на рис 103. Если в основании взять полупроводник n-типа, то области истока и стока Ic

U 33 U 32

Режим обогащения

U 31 U 3 пор

Uc Рис 103. должны быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и

93

канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока. Так как структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл-окисел-полупроводник, то такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал-окисел-полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник). Поскольку металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, то входное сопротивление таких транзисторов огромное. З

З

И

С

И

а)

С б)

Рис.104

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 104 а и б.

ГЛАВА IV. Тиристоры и динисторы.

Рис.105

Рис.106

Тиристором называется полупроводниковый прибор с четырех слойной структурой p-n-p-n (рис 105). Это монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p-n-p-n.На 94

границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: верхний, средний, нижний. От верхней области p и от нижней области n сделаны электрические выводы, которые называют анодом (А) и катодом (К). От одной из промежуточных областей (например,p-области) сделан еще один вывод, который называется управляющим электродом. Если подключить внешний источник так, как показано на рис 105, то получим, что верхний и нижний p-n-переходы будут смещены внешним источником Рис.107 в прямом направлении, а средний pn-переход окажется смещенным в обратном направлении и во внешней цепи будет протекать только исчезающе маленький обратный ток среднего перехода. Подключим другой внешний источник Eу (источник управления) между катодом и управляющим электродом. Тогда ток управления, протекающий под действием источника управления при определенной своей величине может привести к лавинообразному нарастанию тока в полупроводниковой структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором R в цепи источника питания E. Произойдет процесс включения тиристора.Для рассмотрения этого явления представим тиристор (рис 106) в виде двух,объединенных в одну схему транзисторов T1 и T2 (рис 107), типа np-n (T1) и p-n-p (T2). Оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером (рис 108). При создании разности потенциалов между анодом (А) и катодом (К) в прямом направлении (+ на аноде,- на катоде) оба транзистора будут закрыты,так как базовые токи их будут отсутствовать. При подключении источника управления Еу во входной цепи транзистора T1 потечет базовый ток, являющейся током управления тиристора Iу. Под действием A этого тока в коллекторной цепи этого транзиT2 стора потечет ток Ik1 = β 1 ⋅ Iу ,где β 1 - коэффициент передачи по току транзистора T1. Но Ik1 Iк2 этот ток Ik1 протекает по цепи “эмиттер-база” транзистора T2 и является его входным, базоT1 + вым током Iб2 = Iк1 .Под воздействием этого тоEy Iy ка Iб 2 в выходной коллекторной цепи транзиK стора T2 Рис.108 потечет коллекторный ток Ik 2 = β 2 ⋅ Iб 2 = β 2 ⋅ Iк1 = β 2 ⋅ β 1 ⋅ Iy .

(113) 95

Т.е коллекторный ток Iк 2 является усиленным в β 2 ⋅ β 1 током управления Iу, и протекает ток Ik 2 опять по базовой цепи транзистора Т1, там где протекает и ток Iу. Поскольку Ik 2 оказывается значительно больше тока Iу,процесс взаимного усиления транзисторами токов продолжается до тех пор,пока оба транзистора не войдут в режим насыщения,что соответствует включению тиристора.Описанный процесс является процессом внутренней положительной обратной связи,под действием которой и происходит лавинообразное нарастание тока в цепи тиристора. После того, как тиристор включился, он сам себя поддерживает в открытом состоянии, так как при условии Ik 2 > Iу внутренняя обратная связь остается положительной, и в этом случае источник управления уже оказывается ненужным. С учетом (113) это условие записывается β 2 ⋅ β 1 ⋅ Iy > Iу (114). Отсюда условие включения тиристора: β 1 ⋅ β 2 >1 .

(115)

Для того,чтобы выключить тиристор необходимо прервать ток,протекающий в его силовой цепи на короткий промежуток времени,достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника и восстановления Ia

i y2 >i y1

i усп р I I

i y1>0

i y 1=0

I U п ер 2

U

п ер 1

U

п ер

U ak

Рис.109 управляющих свойств. Чтобы снова включить тиристор необходимо снова пропустить в его цепи управления ток Iу, чтобы снова запустить процесс внутренней положительной обратной связи. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который может быть только в двух ус96

тойчивых состояниях: либо в выключенном, либо во включенном. Вольтамперная характеристика тиристора представлена на рис (109).Прямая ветвь ее имеет три явно выраженных участка. Первый участок (I) представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики среднего p-n- перехода. Участок II является участком с отрицательным динамическим сопротивлением, а участок III является прямой ветвью вольтамперной характеристики p-nперехода. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением переключения. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение переключения Uпер. Ток управления, при котором тиристор переходит на спрямленный участок вольтамперной характеристики (показано на рис (109) пунктиром) называют током управления спрямления (iуспр). При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения, верхний и нижний p-n-переходы будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт, а вольтамперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обыкновенного диода. Поскольку включение тиристора зависит от тока управления, то в справочной литературе приводят также диаграмму вольтамперной характеристики управляющей цепи: Uy

1

i у = f (U у )

Семейство таких характеристик представлено на рис 110. Обычно в справоч4 никах приводятся предельные характеристики (1 и 2).Кривая 1 соответствует 3 2 прибору с максимальным сопротивлением цепи управления и при максимально Uymin допустимой температуре. Кривая 2 – прибору с минимальным сопротивлением управляющей цепи и при минимальной температуре.Сверху и справа диаIymin ограничивается прямыI yдоп I y грамма Рис.110 ми,соответствующими предельно допустимым значениям тока и напряжения в цепи управления. Внизу диаграммы указывается область, которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для отпирания тиристоров данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (кривые 3 и 4). U yдоп

Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно перевести в проводящее состояние при наличии од97

новременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода; подача управляющего сигнала в виде тока управления в цепи управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оставаться в закрытом состоянии. Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после включения тиристора, цепь управления становится ненужной, так как он сам себя поддерживает во включенном состоянии. Выключить обычный тиристор по цепи управления невозможно, что требует применения дополнительных устройств, обеспечивающих его выключение, так называемых коммутирующих устройств. Основные параметры тиристоров.

Силовые тиристоры характеризуются параметрами, аналогичным тем, которые рассматривались выше для силовых диодов. Но, кроме того, в технических условиях приводятся параметры цепи управления тиристоров, а также дополнительные параметры, характеризующие силовую цепь тиристора: 1.Время включения (tвкл). Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения Uак тиристора до 10% начального значения при работе на активную нагрузку. 2.Время выключения (tвыкл), называемое также временем восстановления управляющей способности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника. 3.Ток утечки (Iут). Это ток,протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом. 4.Ток удержания (Iуд). Это минимальный прямой ток,проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления,при котором тиристор еще находится в открытом состоянии. На принципиальных схемах тиристоры обозначаются символами: Анод

Управляющий электрод

98

Катод

А У.Э К

Способы запирания тиристоров.

Как уже было показано выше, после включения тиристора он сам себя поддерживает во включенном состоянии за счет внутренней положительной обратной связи, а цепь управления становится неэффективной. Для выключения тиристора нужно каким-либо способом снизить его прямой ток до нуля на некоторый промежуток времени, определенный временем рассасывания неосновных носителей. Это в основном и отличает тиристор-прибор с частичной, неполной управляемостью от, например, транзистора-полностью управляемого прибора, который можно и включить и выключить по цепи управления (базовой цепи). Выключение проводящего ток тиристора можно осуществлять различными способами. Проще всего выключать тиристор, если он работает в цепи переменного тока. Тогда под действием переменного напряжения питающей сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение (коммутация). Такой способ коммутации получил название естественной и широко применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока. Сложнее обстоит дело в цепях постоянного тока. Там необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное выключение тиристора в нужный момент времени. Такие устройства называют “узлами принудительной коммутации” или просто “коммутационными узлами”. В основе построения коммутационных узлов лежат следующие способы: T

Rc

Rc L

C

T

L R

C

а)

б) Рис.111

1.Создание искусственных колебаний тока в цепи тиристора, например, введением в его цепь колебательных L-C контуров (последовательных или параллельных) (рис 111 а, б). 99

Тиристор закрывается в момент перехода через ноль тока в колебательном контуре. 2.Выключение тиристора путем изменения полярности напряжения между катодом и анодом. Для этого используют предварительно заряженный конденсатор С, который в нужный момент времени подключают между анодом и катодом тиристора в запирающей полярности (рис 112) путем замыкания ключа К.

K I -

T

+

C Существует большое количество схем различных коммутационных узлов, использующих данный способ запирания тиристоров.

Рис.112

Ra T

3.Запирание тиристора путем введения в его цепь противо Э.Д.С., под действием которой прямой ток тиристора снизится до нуля (рис 113).

Это можно осуществить при помощи генератора импульсов ГИ, подключаемого через ГИ Тр трансформатор Тр в силовую цепь тиристора. В нужный момент времени генератор формирует импульс напряжения, который наводит во вторичной обмотке трансформатора имРис.113 пульс с полярностью, встречной по отношению к тиристору, что приведет к снижению прямого тока тиристора до нуля. +

Т +

4.Подключение параллельно тиристору источника коммутирующей Э.Д.С. (рис 114).

_ ЕК +

RН К

-

Рис.114 ля.

100

Выключение тиристора осуществляется замыканием в нужный момент времени ключа К на короткий промежуток времени, определяемый временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника. Описанными способами удается придать тиристору свойства полностью управляемого венти-

В настоящее время разработаны новые типы тиристоров, так называемые, двухоперационные тиристоры или запираемые тиристоры.Они являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами,которые можно и включить и выключить по цепи управления.Однако ток управления,необходимый для выключения такого тиристора, оказывается соизмеримым с его прямым током,что требует мощного источника напряжения управления и ограничивает, таким образом область их применения. На принципиальных схемах запираемые тиристоры обозначаются символами:

а)

б)

а) С выводом управляющего электрода от р-зоны. б) С выводом управляющего электрода от n-зоны. Широкое применение в цепях переменного тока получили так называемые симисторы (симметричные тиристоры), которые выполняются У.Э. на основе многослойной полупро1 2 3 водниковой структуры (рис 115).

n1

p2

-

Основой в симисторе является монокристалл полупроводника, в кото(-) (+) ром созданы, пять областей с череp1 n3 дующимся типом проводимости, которые образуют четыре p-n4 Рис.115 перехода. Контакты от крайних областей наполовину шунтируют первый и четвертый p-n-переходы. При полярности внешнего источника напряжения, указанной без скобок, переход 1 окажется включенным в обратном направлении и ток через него будет исчезающе мал. Весь ток через полупроводниковую структуру при такой полярности источT1 ника будет протекать через область P1 .Четвертый переход будет включен в прямом направлении и через него будет проходить инжекция электронов. Значит T2 при данной полярности источника рабочая структура симистора представляет собой p1 − n 2 − p 2 − n 3 структуру, аналогичную структуре обычного тиристора, работа которого уже была рассмотрена выше. При Рис.116 смене полярности на противоположную (указана в +

n2

101

скобках) уже будет закрыт переход 4,а переход 1 будет открыт. Структура симистора становится n1 − p1 − n 2 − p 2 , то есть опять аналогична структуре обычного тиристора, но направленного в противоположную сторону. Таким образом, в схемном отношении симистор можно представить в виде двух встречно-параллельных тиристоров (рис 116). Симистор имеет вольтамперную характеристику, симметричную относительно начала координат (рис 117),что и нашло отражении в его названии.

IA

-U ПЕР

+U ПЕР

iyспр

iу1

Рис.117 На принципиальных схемах симистор обозначается символом:

Динисторы.

Динисторы представляют собой полупроводниковый переключающий прибор, по принципу действия аналогичный тиристору,но имеющий всего

102

два вывода: анода и катода. Вольтамперная характеристика динистора аналогична вольтамперной характеристике тиристора при i у = 0 (рис. 118). i

U AK U ПЕР Рис.118 Напряжение переключения динистора постоянно и указывается в его паспортных данных. Применение силовых транзисторов и тиристоров.

Силовые тиристоры и транзисторы получили широкое применение в различных областях силовой электроники благодаря своим управляющим свойствам. В первую очередь это касается устройств преобразовательной техники таких, как управляемые выпрямители, преобразователи частоты. Рассмотрим наиболее характерные примеры их применения. 1.Управляемые выпрямители.

Простейшей схемой управляемого выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис 119 a). Эта схема идентична схеме рис 39. c той лишь разницей,что вместо неуправляемого силового вентиля В здесь используется тиристор – прибор с частичной управляемостью. На интервале (0 ÷ π) полярность Э.Д.C. e 2 = 2 E 2 sin θ на вторичной обмотке трансформатора такая, как показана на рис 119 б.

103

По отношению к тиристору T это прямая полярность, но в отличии от обычного диода тиристор может включиться только при подаче на его управляющий электрод сигнала управления от управляющего устройства – системы управления (СУ). До поступлении сигнала тиристор будет находится в закрытом состоянии и тока пропускать не будет,несмотря на то,что к его аноду приложен положительный потенциал относительно катода. Пусть сигe2

Т СУ

Тр

α

θ1

+

θ

б)

Rд

е2

U1

α 2π

π

Id

-

θ а)

в)

Ud

Рис.119

Ed

θ

г)

нал управления поступит от системы управления на тиристор в точке θ1 , со сдвигом на угол α относительно начала координат, и начнет проводить ток нагрузки (рис 119 в)

id =

e2 2E2 = ⋅ sin θ Rd Rd

(116)

Падение напряжения на нагрузке при этом:

Ud = id ⋅ Rd = 2 ⋅ sinθ

(117 )

В точке π полярность e2 изменится на противоположную и тиристор закроется (естественная коммутация), так как по отношению к нему эта полярность будет обратной, запирающей. На интервале (π ÷ 2π) тиристор открываться не может.В точке 2π полярность снова станет прямой но по отношению к тиристору,но он откроется только в точке (2π+ α ),когда снова поступит сигнал управления и т.д. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (выпрямленного напряжения) найдем, как

104

1 Ed = 2π

π

∫

2 E 2 sin θdθ =

α

2E 2 (1 + cos α ); 2π

(118)

Если менять угол α в пределах от 0 до π, то получим:

E d max = E d

α =0

=

2 2E 2 = 0.45 E 2 2π

E d min = E d

α =π

= 0.

То есть меняя угол α от 0 до π,изменяем постоянную составляющую выпрямленного напряжения в пределах от

E d max = 0.45 E 2 до 0.

Угол α называется углом управления. По этому же принципу осуществляется регулирование выпрямленного напряжения во всех других рассмотренных ранее схемах выпрямления, если вместо обычных силовых диодов у них использовать управляемые вентилитиристоры. Зависимые инверторы.

На управляемых вентилях можно построить устройства, которые невозможно сделать на обычных неуправляемых диодах, например, инверторные устройства.

Инвертор-это устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. выполняющее функции, обратные функциям выпрямителя. Рассмотрим схему, представленную на рис 120 а. В точке θ = 0 полярность Э.Д.С. e 2 a и e 2 b на вторичной обмотке трансформатора указана на рис 120 а. В схему включен источник постоянного тока E 0 , энергию которого нужно преобразовать в энергию переменного тока. Пусть в точке θ = 0 система управления СУ включает тиристор T2. Тогда в цепи источника E 0 потечет ток через нижнюю половину вторичной обмотки трансформатора, преодолевая при этом противо Э.Д.С. этой полуобмотки e 2 в . Тиристор T1 в это время должен быть надежно закрыт, так как в его цепи Э.Д.С источника Е 0 , и Э.Д.С e2 а включены согласно и, если тиристор T1 открыть, то произойдет короткое замыкание этих двух 105

Т1 Тр

e2a

+ e2 a -

U1

L

+

Е0

+ e 2b

β

e2b

π

СУ

β

2π

θ

0

Т2 а)

б) Рис.120

последовательно и согласно включенных Э.Д.С..И лишь в точке ( π − β ) когда Э.Д.C. e 2 а уже мала, система управления включает тиристор T1 . Ток источника Е 0 , стремясь пойти по пути наименьшего сопротивления, перейдет из цепи тиристора T2 в цепь тиристора T1 , где не только нет противо Э.Д.С, но даже есть согласно включенная Э.Д.С e2 а . А тиристор T2 закроется,так как ток в нем станет равным нулю. Перевести ток с тиристора T2 необходимо на тиристор T1 , так как в точке π полярность Э.Д.С. e 2 в меняет свой знак на противоположный и вместо противоЭ.Д.С. станет уже согласно включенной по отношению к источнику E 0 и, если до точки π не выключить тиристор T2 , то, начиная с точки π в этой цепи начнется короткое замыкание двух Э.Д.С.,которое приведет к аварийному режиму, называемому опрокидыванием инвертора. Теперь же, когда открылся тиристор T1 , ток перешел в цепь верхней полуобмотки трансформатора, но в точке π меняется знак Э.Д.С.

e 2 a и из согласно включенной Э.Д.С. она становится противо Э.Д.С.

для источника E 0 и ток будет протекать по верхней полуобмотке, преодолевая противоЭ.Д.С. e 2 a .Поток энергии на интервалах, где ток источника E 0 преодолевает противоЭ.Д.С. вторичной обмотки трансформатора, направлен из источника постоянного тока E 0 в сеть переменного тока, то есть имеет место процесс инвертирования энергии. Среднее значение противоЭ.Д.С. 106

преодолеваемой источником питания ет (рис 120 б):

E dβ =

1

E 0 за период повторяемости составля-

2π − β

∫ π β

π

2 E2 sin θdθ = −

−

2 E2 cos θ . 2π

(119)

Такой инвертор называется зависимым или ведомым сетью, так как все его параметры (напряжение, ток, частота) зависят от параметров сети переменного тока. По этому же принципу можно построить зависимый инвертор на основе мостовой однофазной схемы, трехфазной нулевой, трехфазной мостовой и т.д. Автономные инверторы.

В отличии от зависимых инверторов, которые не могут работать без сети переменного тока, автономные инверторы могут работать независимо, автономно. Простейшая схема автономного инвертора изображена на рис 121. Она представляет собой мост,выполненный на ключах K 1 , K 2 , K 3 , K 4 , в одну диагональ которого включена нагрузка

Z н ,а в другую – источник пи-

тания U пит .В точке θ = 0 замкнем ключи K1 и K 3 , при этом напряжение источника питания окажется приложенным к нагрузке полярностью, указанной на рис 121 а, без скобок. Через половину периода, в точке θ1 , разомкнем ключи K1 и K3, и замкнем ключи K 2 и K 4 , при этом источник питания окажется подключенным к нагрузке противоположной полярностью (указана в U

+

К1 +

а

Uпит К4

(-)

К2

ZH(+)

0

в К3

K3-K2

Θ1

Θ2

Θ

K2-K4

а)

б) Рис.121

скобках). Таким образом, замыкая и размыкая ключи обеих диагоналей моста 107

через равные промежутки времени, получим в нагрузке переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению источника питания и с частотой, определяемой частотой переключения ключей. В качестве ключей обычно используют бесконтактные ключи: либо тиристоры, либо транзисторы. Рассмотрим эту же схему инвертора, выполненную на тиристорах (рис 122 a). В цепь источника питания здесь вводится индуктивность

Ld , которая

придает ему свойства источника тока (ток I d постоянный по величине и во времени; независиый от нагрузки) а в цепь нагрузки вводится конденсатор C k , емкость которого должна быть достаточной для создания результируюL>d +

Id

iн

CK T1 а

Uпит T4

К2

+ (-)

ZH

(+)

UH β

β

Id 1

0

в

UH

iн

θ2

θ

θ1

К3

β

б)

а) Рис.122

щего емкостного характера в цепи нагрузки. Это необходимо, так как в цепи нагрузки ток I d должен менять свое направление, оставаясь неизменным по величине, а это возможно только в электрической цепи с емкостным характером. Одновременно конденсатор C k осуществляет функцию коммутации тиристоров. Работа этой схемы происходит следующим образом. В точке θ = 0 система управления, которая обязательно должна присутствовать в любом управляемом вентильном преобразователе, подает сигнал управления на тиристоры

T1 и T3 . Тиристоры открываются и через

них по цепи нагрузки начнет протекать ток

108

Id

от точки а к точке b.

При этом часть этого тока идет на заряд конденсатора часть – в нагруку Z н . В точке

Q1

C k , а другая

система управления в дополнение к отры-

тым тиристорам T1 и T3 открывает тиристоры T2 и T4 и в течение короткого промежутка времени будут открыты все четыре тиристора. Но как только откроется тиристор T4 положительный потенциал заряженного конденсатора оказывается приложенным через этот тиристор к катоду ранее открытого тиристора T3 , а к аноду этого тиристора приложен отрицательный потенциал конденсатора C к . Поэтому тиристор T3 закрывается в точке θ 1 . По этой же причине закроется тиристор T1 , так как (+) конденсатора C к приложен к его катоду, а (-) через открытый тиристор T2 - к его аноду. Таким образом, на интервале θ 1 ÷ θ 2 работают тиристоры T2 и T4 ,ток в цепи нагрузки правлен от точки b к точке а, а конденсатор

Cк

I d на-

перезаряжается до напряже-

ния противоположной полярности (указана в скобках). В точке θ 2 все процессы повторяются. Ток в цепи нагрузки имеет прямоугольную форму , а напряжение нагрузки будет изменяться так, как напряжение на конденсаторе CК (Рис. 122 б). Поскольку цепь нагрузки имеет ёмкостной характер, то ток нагрузки опережает напряжение по фазе на угол β, который называют углом опережения. Отметим, что рассмотренная схема автономного инвертора представляет собой инвертор тока, так как источник питания обладает свойствами источника тока. Поскольку конденсатор СК здесь включается параллельно нагрузке, то эта схема инвертора называется параллельным инвертором тока. Если конденсатор СК вводится в цепь нагрузки последовательно с ней, то такой инвертор называется последовательным инвертором тока. Принципиально источник питания может обладать в большей степени свойствами источника напряжения. Тогда напряжение такого источника будет постоянным и не зависеть от нагрузки . А сам инвертор в этом случае называется инвертором напряжения. Рассмотрим пример такого инвертора, выполненного на транзисторах (Рис. 123 a). Здесь в цепь источника питания вводится конденсатор С для придания ему свойств источника напряжения. В точке Θ=0 система управления включает транзисторы Т1 и Т3 и по нагрузке начинает протекать ток от точки а к точке б. поскольку нагрузка инверторов чаще всего имеет активно- индуктивный характер (обмотки электродвигателей, трансформаторы и т.д.) то ток нагрузки после включения транзисторов изменяется по экспоненте и за половину периода, в точке Θ, достигнет величины IHmax; при этом в магнитном поле индуктивности нагрузки накапливается энергия. В точке Θ=Θ1 система управления закрывает тран109

зисторы Т1 и Т3, одновременно открывая транзисторы Т2 и Т4, но ток нагрузки продолжает по- прежнему протекать в том же направлении от точки а к точке б, под действием Э.Д.С. которая возникает в индуктивности нагрузки при запирании транзисторов Т1 и Т3 за счёт энергии, накопленной в её магнитном поле за время протекания тока на интервале от 0 до Θ1.Полярность этой Э.Д.С. показана на (Рис. 123 а) без скобок. Именно она препятствует протеканию тока нагрузки в противоположном направлении (от точки б к точке а), хотя транзисторы Т2 и Т4 открыты, начиная с момента Θ1 . Ток нагрузки же, начиная с момента Θ1, протекая под действием Э.Д.С. самоиндукции, замыкается через вентиль В2, источник питания, преодолевая его противо Э.Д.С., и вентиль В4. При этом энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания (реактивная энергия). Этот контур будет существовать до тех пор, пока вся накопленная энергия не будет сброшена в источник питания, вплоть до момента Θ2. Ток в этом контуре называют обратным током, а вентили В1;В2;В3;В4 называют обратными вентилями. В момент Θ= Θ2, вентили В1 и В3 закрываются, и только тогда под действием напряжения источника питания UПИТ ток в цепи нагрузки начнёт возрастать в противоположном направлении от точки б к точке а. В индуктивности нагрузки снова накапливается энергия, и, когда в момент Θ3 система управления закроет транзисторы Т2 и Т4 и откроет Т1 и Т3, Э.Д.С. самоиндукции, но уже противоположной полярности, обусловит протекание обратного тока через вентиль В1, через источник питания и через вентиль В3. Реактивная энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности нагрузки опять сбрасывается в источник питания. Далее процесс повторяется. Как видно из (Рис. 123 б), форма напряжения на нагрузке UH (+) (-) здесь будет иметь прямоугольную форму, а ток iH представляет собой отрезки экспонент, причём вследствие индуктивного характера нагрузки, ток отстаёт по фазе от напряжения на угол φ. Выходная частота инвертора полностью определяется частотой переключения транзисторов, т.е. системой Рис. 123 110

управления. Во всех рассмотренных примерах автономные инверторы были однофазными. однако по таким же принципам можно строить и их многофазные варианты. Импульсные преобразователи постоянного тока.

На основе полупроводниковых приборов, работающих в ключевом режиме можно строить устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения, так называемые импульсные преобРис.124 разователи постоянного тока. Простейшая схема такого устройства представлена на (Рис. 124 а). Она состоит из ключа К, периодически подключающего цепь нагрузки к источнику питания с напряжением Uпит. На интервале (0-t1), называемом длительностью импульса tИ, ключ К замкнут и к нагрузке приложено всё напряжение источника Uпит.На интервале (t1 - t2), называемом длительностью паузы tП, ключ К разомкнут и среднее значение напряжение на нагрузке за период Т=tИ+tП , составляет: U ⋅t U HCP = пит И (120) Т Обозначая: γ=

tи Т

(121), как коэффициент заполнения импульса, полу-

чим: U HCP = U ПИТ ⋅ γ

(122). Изменяя коэффициент заполнения γ в пределах от γmin=0 до γmax=1, можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке в пределах от U H max = U ПИТ γ = 1 . U H min = 0 γ = 0 Причём коэффициент заполнения γ, а, следовательно и напряжение на нагрузке можно изменять тремя способами: (123), 1. tИ=var; T=const, т.е. при неизменной частоте замыкания и размыкания ключа К изменять длительность его замкнутого состояния tИ. Такой способ называют широтноимпульсным регулированием (ШИР). (124), 2. tИ=const; T=var,

111

т.е. при неизменной длительности замкнутого состояния ключа tИ регулировать частоту его замыканий. Такой способ называется частотно- импульсным регулированием (ЧИР). (125). 3. tИ=var; T=var, В этом случае одновременно регулируются и частота и длительность tИ. Такой способ называют время - импульсным регулированием (ВИР). Следует отметить, что в данной схеме напряжение нагрузки можно регулировать только в сторону понижения относительно напряжения источника UПИТ. Поэтому подобные преобразователи называют преобразователями понижающего типа. Существует класс преобразователей, которые обеспечивают напряжение на нагрузке, превышающее напряжение источРис. 125 ника питания. Такие преобразователи называются преобразователями повышающего типа. В качестве примера рассмотрим схему (Рис.125). Ключ К периодически подключает индуктивность L и там накапливается определённое количество энергии, пропорциональное току iL и длительности его протекания tИ . При размыкании ключа К в индуктивности L возникает Э.Д.С. самоиндукции, под действием которой открывается вентиль В и энергия, накопленная в индуктивности, сбрасывается в конденсатор С. Этот процесс повторяется периодически, обеспечивая подпитку энергией конденсатор С и нагрузку. При определённых условиях напряжение на конденсаторе, а, следовательно, и на нагрузке, может значительно превосходить напряжение источника питания. Регуляторы переменного напряжения.

Для регулирования переменного напряжения в нагрузке широкое применение получили тиристорные регуляторы. Простейшая схема такого регулятора приведена на (Рис. 126 а). Два тиристора Т1 и Т2 включены встечно- параллельно в цепь нагрузки ZН. Каждый тиристор работает на своём полупериоде (положительном или отрицательном). Причём открываются они с углом управления α (Рис.126 б), а закрываются в момент перехода тока нагрузки через нуль. Регулируя угол α, можно регулировать напряжение UH в широких пределах от UHmax=UC до UHmin=0. Однако такой способ регулирования сильно 112

a)

U1

Рис. 126

б)

искажает форму кривой напряжения и изменяет фазу его первой гармоники. Поэтому в ряде случаев более предпочтительными могут оказаться импульсные регуляторы переменного напряжения, простейшая схема которого представлена на (Рис. 127). Здесь в цепь нагрузки ZH включена последовательно обмотка W2 высокочастотного трансформатора Тр, которая периодически замыкается накоротко ключом К1, а первичная обмотка W1 периодически подключается ключом К2 на напряжение питающей сети UC. Ключи К1 и К2 работают с основной частотой fK>>fC, причём работают они в противофазе. (Рис. 128). Пусть на интервале (0 - t1) ключ К1 разомкнут, а К2 - замкнут. Тогда обмотка W1 Рис. 127 трансформатора будет подключена ключом К2 на напряжение питающей сети UC. T 2

Полагая полупериод ( 0 ÷ ) положительным, обозначим полярность его на (Рис. 128) без скобок. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет e2 =

где:

U C ⋅ W2 U C = , W1 K Tp

(126)

W1 = K Tp - коэффициент трансформации трансформатора. W2

Причём полярность е2 будет такой, как указано на (Рис. 127) без скобок. По отношению к напряжению UC она будет встречной и поэтому напряжение на нагрузке UH будет равно: UH=UC - e2 (127). (UC-e2) На интервале (t1 - t2) ключ К1 замкнут, а К2 - разомкнут. Первичная обмотка трансформатора отключена от питающей сети, а вторичная замкнута накоротко ключом К1. Поэтому на этом интервале UH=UC (128). Далее процессы повторяются. Таким образом, мгновенное значение напряжения на нагрузке Рис. 128 будет представлять собой зубчатую кривую (Рис.128), а его среднее значение UHCP можно регулировать в 113

пределах от UHmax=UC до UHmin=UC - e2 в зависимости от соотношения времени замкнутого состояния ключей К1 и К2. Учитывая, что частота, на которой работают ключи fK значительно больше частоты сети fC, массогабаритные параметры трансформатора оказываются очень высокими, а высокочастотные пульсации напряжения нагрузки можно легко убрать при помощи простейших фильтров. Рассмотренный пример позволяет регулировать выходное напряжение только вниз от напряжения сети UC , т.е. осуществляется вольтоотбавка. Если поменять местами начало и конец какой- либо из обмоток трансформатора W1 или W2, то получим вольтодобавку и выходное напряжение UH можно будет регулировать в сторону увеличения по отношению к напряжению питающей сети UC . Существуют схемы регуляторов, которые обеспечивают регулирование выходного напряжения и вверх и вниз по отношению к UC. Прерыватели постоянного и переменного тока.

Во всех рассмотренных схемах управляемых вентильных преобразователей применялись бесконтактные ключи постоянного или переменного тока. В качестве ключей постоянного тока(прерывателей постоянного тока) могут использоваться либо транзисторы в ключевом режиме, двухоперационные (запираемые) тиристоры, либо обычные тиристоры, снабжённые специальным дополнительным устройством - узлом принудительной коммутации, в котором используется любой из рассмотренных ранее в разделе "Тиристоры и динисторы" способов. В качестве ключей переменного тока могут использоваться следующие схемы (Рис. 129):

RН

RН

R

RН RН

Рис. 129 114

RН

а) Симистор, включенный последовательно с нагрузкой. б) Аналог симистора - два встречно- параллельно включенных тиристора. в) Два встречно- параллельно включенных транзистора. Вентили В1 и В2 включают последовательно с транзисторами для того, чтобы защитить транзисторы от высокого обратного напряжения. г) Два встречно включенных транзистора. Вентили В1 и В2 необходимы для предотвращения инверса) ного режима работы транзисторов. д) Диодный мост с тиристором Т в диагонали постоянного тока. При размыкании этой диагонали прекращается ток и в другой диагонали - диагонали переменного тока, куда включена нагрузка. б) е) Та же самая схема, что и на (Рис.129 д), но с транзисторным ключом в диагонали постоянного тока. Транзисторные сглаживающие фильтры.

Транзисторы могут с успехом применяться в высокоэффективных сглаживающих фильтрах Рис. 130 для фильтрации переменной составляющей выпрямленного напряжения. В основе работы таких фильтров лежит способность транзистора оказывать различное сопротивление постоянной и переменной составляющей протекающего через него тока (статическое и динамическое сопротивление). Простейшая схема транзисторного сглаживающего фильтра представлена на (Рис.130). Нагрузка RH включена в коллекторную цепь транзистора. В базовую его цепь включены конденсатор С и резистор Rб. Ёмкость конденсатора С должна быть такой, чтобы её сопротивление переменной составляющей было значительно меньше сопротивления перехода эмиттер - база по постоянному току :

1 〈〈 rЭБ ω ⋅C

(129).

Тогда переменная составляющая входного тока транзистора будет замыкаться, в основном, через конденсатор С, минуя входную цепь транзистора, а постоянная его составляющая потечёт через переход эмиттер - база. Резистор 115

Rб необходим для выбора положения рабочей точки на лини нагрузки (Рис. 130 б), например, точки А. Тогда статическое сопротивление транзистора (сопротивление по постоянному току) определяется как:

R CT =

U КЭА = tgα . I КА

(130)

Сопротивление по переменному току (динамическое сопротивление) находится как:

Rд =

ΔU I Б = сonst = tgβ , ΔI

(131)

где β - угол наклона касательной, проведённой к характеристике, на которой расположена рабочая точка. Очевидно, что Rд>>RСТ. При выполнения условия (129) коэффициент сглаживания такого фильтра может быть очень высоким. Недостатком таких фильтров является их неэкономичность, так как расположение рабочей точки на пологом участке характеристики приводит к большой мощности, рассеиваемой на транзисторе РК: РК=UКЭА·IКА. (132) Существуют схемы фильтров, где акРис. 131 тивный элемент - транзистор включают параллельно нагрузке (Рис.131). В этом случае необходимо добиться, чтобы динамическое сопротивление транзистора Rд было значительно меньше статического сопротивления RCТ. Тогда переменная составляющая тока нагрузки будет в основном замыкаться через транзистор, а постоянная составляющая будет выделяться в нагрузке. Для этого между коллектором и базой вводится конденсатор С, сопротивление которого по переменной составляющей гораздо меньше, чем сопротивление резистора R1. Поэтому переменная составляющая усиливается транзистором Т и, протекая по балластному резистору Rбал, создаёт на нём падение напряжения, а постоянная составляющая, для которой транзистор представляет собой гораздо большее сопротивление, чем нагрузка RH, Рис. 132 протекает по цепи нагрузки. 116

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.

В отличие от параметрических стабилизаторов напряжения, уже рассмотренных ранее, в компенсационных стабилизаторах процесс стабилизации происходит по- другому: напряжение нагрузки измеряется измерительным органом, сравнивается с постоянным, опорным напряжением, и в зависимости от результата сравнения регулирующий элемент, как правило, транзистор, открывается в большей или меньшей степени, увеличивая или уменьшая напряжение на нагрузке. Одна из простейших схем компенсационных стабилизаторов напряжения представлена на (Рис.132). Последовательно с нагрузкой RH включается регулирующий трансформатор Т, во входной цепи которого происходит сравнение двух напряжений: опорного напряжения со стабилитрона UCT и напряжения нагрузки UH; разница между ними управляет транзистором Т, открывая его в большей или меньшей степени так, чтобы напряжение UH=UBX - UКЭ оставалось постоянным по величине, примерно равным напряжению на стабилитроне. Более совершенные стабилитроны такого типа включают себя ещё и специальный усилитель постоянного тока, усиливающий разностный сигнал между опорным напряжением и напряжением нагрузки (Рис.133). В отличие от предыдущей схемы здесь во входной цепи транзистора Т2 сравнивается с опорным напряжением не всё выходное напряжение, а только его часть, снимаемая с сопротивления R2 делителя напряжения R1-R2; разность между ними усиливается транзистором Т2 и управляет транзистором Т1 так, чтобы напряжение на нагрузке оставалось неизменным. В этой схеме благодаря делителю напряжения R1-R2 напряжение на нагрузке может быть больше, чем опорное напряжение стабилитрона. Регулирующий транзистор можно включать не только последовательно с нагрузкой, но и параллельно ей (Рис.134). В этом случае разница между опорным напряжением UCT и части напряжения на нагрузке, снимаемой с сопротивления R2, усиленная транзистором Т, изменяет веРис. 133 личину тока IK, а, следовательно и падение напряжения на балластном резисторе URб так, чтобы напряжение на нагрузке UH=UВХ - URб оставалось постоянным. 117

Транзисторный автогенератор.

Во многих устройствах преобразовательной техники, системах электропитания, системах управления мощными преобразователями применяются различные варианты транзисторного автогенератора - устройства, схема которого представлена на (Рис.134). Она содержит трансформатор Тр с двумя симметричными системами обмоток и два транзистора Т1 и Т2. При подключении источника питания часть его напряжения через делитель R1-R2 создаёт напряжение смещения UCM=UR1 во входных цепях обоих транзисторов и соз-

Т1 a) Т2

б)

Рис. 135 Рис. 134 даются условия для их отпирания. Однако первым открывается тот транзистор, в коллекторной цепи которого ток нарастает быстрее вследствие недостаточности их параметров. Допустим, таким транзистором будет Т1. Тогда, *

вследствие нарастания тока I K 1 этого транзистора в обмотке WK1 будет возрастать магнитный поток Ф, который будет наводить во всех обмотках Э.Д.С. e = −W ⋅

dФ , полярность которой показана на (Рис.134). Эта Э.Д.С. dt

обмотки Wб1 приложена ко входной цепи транзистора Т1 в отпирающей полярности, поддерживая Т1 в открытом состоянии и вводит его в режим насыщения. Э.Д.С. другой обмотки - Wб2 имеет полярность, приложенную ко входной цепи транзистора Т2 в запирающей полярности и вводит транзистор Т2 в режим отсечки. Такое положение будет сохраняться до тех пор, пока не произойдёт насыщение сердечника трансформатора. В момент насыщения рост магнитного потока прекращается и, следовательно, Э.Д.С. всех обмоток станет равной нулю, что приведёт к запиранию транзистора Т1, уменьшению 118

его коллекторного тока, а, следовательно, и магнитного потока, поэтому Э.Д.С. на обмотках изменит свой знак на противоположный и теперь Э.Д.С. обмотки Wб2 станет отрицательной по отношению к транзистору Т2 и вводит его в режим насыщения, а Э.Д.С. обмотки Wб1 будет иметь запирающую полярность по отношению к транзистору Т и переведёт его в режим отсечки, т.е. произойдёт переключение транзисторов и магнитный поток в сердечнике будет изменяться в противоположном направлении, пока снова не произойдёт насыщение сердечника и т.д. Магнитный поток, таким образом, будет изменяться от +ФНАС до -ФНАС (Рис. 135а), а Э.Д.С. на всех обмотках, в том числе и на выходной будет изменяться по прямоугольному закону (Рис. 135 б). Частота переключения транзисторов f =

1 , а, следовательно, и выходная T

частота преобразователя зависит от времени нарастания коллекторного тока или, в конечном счёте, магнитного потока до насыщения сердечника: U ПИТ f = , (133) U ⋅ S ⋅ BS ⋅ WK где: UПИТ - напряжение источника питания; S - площадь поперечного сечения магнитопровода; ВS - индукция насыщения материала магнитопровода; WК - число витков коллекторных обмоток трансформатора. ГЛАВА V Фотоэлектрические приборы.

Фотоэлектрическими приборами называются устройства, преобразующие световую энергию (энергию излучения) в электрическую. По принципу действия фотоэлектрические приборы подразделяются на приборы, использующие внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект - это явление выбивания электронов с поверхности металла под действием светового излучения. Это явление ещё называют фотоэлектронной эмиссией. Лучистая энергия излучается в виде квантов света (фотонов) с энергией Е=h·ν, (134) -34 где h - постоянная Планка (h=6,62·10 Дж·с); ν - частота электромагнитного колебания

ν=

c

λ,

(135)

где с=3·108 м/сек - скорость света; λ - длина волны электромагнитного излучения.

119

Квант лучистой энергии, будучи поглощённым атомом металла, может сообщить ему свою энергию, и, если её будет достаточно для совершения работы выхода электрона из металла, то электрон покинет поверхность металла и станет свободным носителем электрического заряда. Приборами, использующими явление внешнего фотоэффекта, являются фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Фотоэлементы. Фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум, и в которой размещены два электрода: фотокатод и анод. Фотокатод - это чувствительный к световому излучению слой, состоящий из соединений сурьмы, Рис. 136 теллура, щелочных металлов с примесями различных элементов. Этот слой покрывает больше половины внутренней поверхности колбы. Анод имеет вид проволочного кольца, сетки либо рамки. На принципиальных схемах фотоэлемент обозначается символом (Рис. 136 ). Схема включения фотоэлемента показана Рис. 137 на Рис.137. Внешний источник Еа создаёт между анодом и катодом электрическое поле, под действием которого электроны, выбитые с поверхности катода, устремляются к аноду, создавая анодный ток (фототок) в цепи источника. Этот ток создаёт на резисторе Ra падение напряжения, которое при неизменной величине Еа зависит от светового потока, падающего на фотокатод. Фотоэлементы подразделяются на вакуумРис. 138 ные и газонаполненные. В вакуумных фотоэлементах внутри колбы создан вакуум, а в газонаполненных - под небольшим давлением введено небольшое количество инертного газа. Принцип действия у них одинаков, но у газонаполненных фотоэлементов гораздо выше чувствительность к излучению, что объясняется эффектом ионизации молекул газа и появлением дополнительных носителей электрического заряда. Основные характеристики фотоэлементов.

Основными характеристиками фотоэлементов являются: 120

1. Вольтамперная характеристика: IФ=f(UA) Ф = const . Это зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом при постоянном световом потоке. Вид типовых вольт- амперных характеристик представлен на (Рис.138). 2. Световая характеристика IФ=f(Ф) U a = const . Это зависимость фототока светового потока при неизменном напряжении на аноде фотоэлемента. Вид семейства этих характеристик представлен на (Рис.139). 3. Спектральная характеристика: S Ф = f ( λ ) - это зависимость относительной Рис. 139 мощности фотоэлемента от длины волны падающего на катод излучения. Вид типовой спектральной характеристики показан на (Рис.140). Основными параметрами фотоэлементов являются: 1. Чувствительность - это отношение фототока IФ к P вызвавшему этот ток потоку излучения Ф: * *

K=

IФ Ua = const . Ф

2. Пороговая чувствительность - минимальный световой поток, при котором полезный электрический сигнал фотоэлемента становится различим на уровне помех. 3.Внутреннее сопротивление Ri:

Ri =

ΔU a Δ IФ

λ λопт

Рис. 140

Ф = const

. Это отношение приращения анодного напряжения к приращению фототока при неизменной величине светового потока. Фотоэлементы получили широкое применение в качестве датчиков светового излучения.

121

Фотоэлектронные умножители.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой фотоэлемент с очень большой чувствительностью и большим током нагрузки. Схематическое устройство этого прибора показано на (Рис. 141). Обычно это стеклянная колба, в торце которой устанавливается полупрозрачный фотокатод (ФК), за которым устанавливается фокусирующая диафрагма ФД и несколько вторичных катодов ВК, которые иногда называются ещё динодами, за которыми располагается анод А. Каждый из этих электродов подключается к различным точкам делителя напряжения, подающего на эти электроды различные потенциалы. Слабый световой поток попадает на фотокатод и выбивает из него некоторое количество электронов. Под действием создаваемого источником Еа электрического поля эти электроны ускоряются и, попадая на

K1

K2

K3

Рис. 141 вторичный катод ВК1, выбивают из него уже значительно большее количество электронов, которые, в свою очередь, ускоряются и попадают на вторичный катод ВК2 и т.д. Поток электронов всё время возрастает от одного вторичного катода к другому и на анод попадает уже мощный электронный поток, который создаёт на нагрузке RH большое падение напряжения, пропорциональное входному световому потоку. Коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя

Ky =

Ia =σn, I0

где : Iа - ток анода; I0 - ток фотокатода; σ - коэффициент вторичной эмиссии; n - число вторичных фотокатодов. 122

(136)

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниковых материалах при облучении их поверхности лучами света. Он заключается в том, что при поглощении энергии фотона атомом полупроводника может возникнуть пара "электрон - дырка", если этой энергии достаточно для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. если поглощённая энергия превышает ширину запрещённой зоны. Интенсивность фотоионизации определяется энергией излучения, её потоком и спектром поглощения полупроводника. Образование пар "электрон - дырка" обусловливает собственную электропроводность полупроводника, которая в данном случае является фотопроводимостью, причём собственная электропроводность может оказаться значительно больше проводимости примесной. Внутренний фотоэффект широко применяется в различных фотоэлектрических приборах: фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах. Фоторезисторы. Фоторезисторы используют в своей работе эффект фотопроводимости. Фоторезисторы выполняются в самых различных конструктивных вариантах, различного назначения, по различным технологиям и с различными параметрами. но в общем виде это - чувствительный к излучению слой полупроводника, прикреплённый к изоляционной подложке, по краям Рис. 142 которого смонтированы токоведущие электроды. Для защиты от атмосферных воздействий верхняя поверхность фотослоя покрыта прозрачным лаком. Вся сборка может быть помещена в защитный корпус, в котором сделано окно для прохождения излучения. Рис. 143 Рис. 144 Фоторезистор на принципиальных схемах обозначается символом (Рис.142). Он может включаться как в цепь постоянного тока, так и переменного (Рис.143). При облучении фоторезистора возрастает его проводимость и, соответственно, возрастает ток. Выходное напряжение, пропорциональное потоку излучения, снимается с сопротивления нагрузки RH. Основными характеристиками фоторезистора являются: 1. Вольтамперные характеристики IФ=f(E) Ф = const . Это зависимости тока в фоторезисторе от напряжения источника питания Е при постоянном потоке излучения Ф. Эти характеристики практически ли123

нейны (Рис.144 ). При Ф=0 через фоторезистор протекает маленький темновой ток; при освещении ток возрастает за счёт увеличения фотопроводимости. 2. Световая характеристика IФ=f(Ф) E = const . Это зависимость фототока от потока излучения при постоянном напряжении источника. Существенная нелинейность этих характеристик (Рис.145) объясняется не только увеличением количества носителей с увеличением потока излучения Ф, но и процесса их рекомбинации. 3. Спектральная характеристика IФ=f(λ), где λ - длина волны электромагнитного излучения. Эта характеристика обусловлена материалом и технологией изготовления фотослоя. Типовой вид этой характеристики представлен на Рис. 145 IФ Рис.146. Основными параметрами фоторезисторов являются: 1. Чувствительность K =

IФ Е = const ; Ф

2. Номинальное значение фототока IФНОМ; 3. Темновое сопротивление RТЕМН; 4. Отношение

RТЕМН RФНОМ

;

Рис. 146

5. Рабочее напряжение ЕРАБ. Фотодиоды.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта. Фотодиоды имеют различную конструкцию, различное назначение и различные параметры, но в большинстве случаев конструкция фотодиода бывает такой, как показано на (Рис.147). На металличеРис. 147 ской подложке, играющей одновре124

менно и роль токоотвода, располагается монокристалл полупроводника, чаще кремния, в котором создан p-n переход так, что верхняя область имеет очень малую толщину. По периметру верхней зоны выполнен второй токоотвод, а вся верхняя зона освещается источником излучения. Такая конструкция фотодиода обусловливает минимальные потери носителей на рекомбинацию и практически все носители, образовавшиеся в результате поглощения лучистой энергии, будут участвовать в образовании фототока. На принципиальных схемах фотодиод изображается символом (Рис.148). Фотодиод можно использовать в двух различных включениях: фотодиодном и фотогальваническом. Фотогальваническое включение (Рис.149) предполагает использование фотодиода как источника Рис. 148 фото Э.Д.С. Рассмотрим процесс возникновения фото Э.Д.С. в фотодиоде. В отсутствии освещения фотодиода концентрация носителей в его обеих областях будет равновесной, а, следовательно, никакой разности потенциалов между областями не будет. Если же осветить полупроводник лучами света, то в результате поглощения энергии фотонов будут Рис. 149 образовываться пары "электрон - дырка". Дырки в области р являются основными носителями, поэтому поле ЕР p-n-перехода будет их отталкивать от границы раздела, а вот образовавшиеся свободные электроны, являясь в зоне р неосновными носителями, будут переброшены полем через границу раздела в область n, где они являются основными. Аналогично, в области n из образовавшихся носителей "электрон - дырка" только дырки, являясь неосновными носителями, будут переброшены через границу раздела в область р, а образовавшиеся свободные электроны только пополнят количество основных носителей в области n, увеличив их концентрацию. Таким образом, за счёт поглощённой световой энергии в полупроводнике образуются пары носителей; неосновные носители перебрасываются в соседнюю область электрическим полем p-n перехода, а основные носители остаются в своей области; концентрация носителей возрастает и становится сверхравновесной, т.е. суммарный электрический заряд основных носителей в обеих областях полупроводника уже не уравновешиваются противоположным зарядом ионов примеси и, следовательно, в области р появляется суммарный положительный заряд, а в области n - суммарный отрицательный заряд, которые обусловят возникновение разности потенциалов между областью р и область n. Эта разность потенциалов называют фото Э.Д.С. Если теперь создать внешнюю электрическую цепь между областями р и n, то по ней потечёт электрический ток - фототок под действием возникшей фото Э.Д.С. Следует отметить, что из всех образовавшихся в результате поглощения лучистой энергии носителей не все будут участвовать в образовании све125

тового тока, а только те, которые попадают в зону действия электрического поля потенциального барьера, ограниченную на (Рис. 150) областью δ. Остальные неосновные носители, образовавшиеся вне этой зоны, скорее всего рекомбинируют, снижая эффективность использования световой энергии. Отсюда становится ясной целесообразность консруктивного Рис. 150 выполнения фотодиода (Рис. 150), когда освещают не обе области полупроводника, а только одну, зато очень тонкую, когда практически все образовавшиеся под действием освещения неосновные носители будут разделены р-n переходом. Основные характеристики фотодиодов. Основными характеристиками фотодиодов являются: 1. Вольтамперная характеристика IФ=f(U) Ф = const .Это зависимость фототока IФ от напряжения на фотодиоде при неизменном световом потоке. Вольтамперная характеристика описывается следующим уравнением:

⎛ I − IH ⎞ kT + 1⎟⎟ ⋅ U H = e H ⋅ ⎜⎜ CB , ⎝ I ТЕМН ⎠ q

(137)

где: UH - напряжение между анодом и катодом фотодиода. В случае фотогальванического включения это - напряжение на нагрузке; ICB - световой ток - суммарный поток носителей электрического заряда, образовавшихся вследствие внутреннего фотоэффекта и разделённых полем p-n перехода; IH - ток нагрузки (в случае фотогальванического включения); IТЕМ - темновой ток - суммарный поток носителей электрических зарядов, пересекающих границу раздела при отсутствии освещения; k - постоянная Больцмана, k=1,38·10-23Дж/град.; q - заряд электрона, q=1,6·10-19 Кул.; Т - абсолютная температура. Вид вольтамперной характеристики показан на (Рис.151). При Ф=0 вольтамперная характеристика фотодиода превращается в вольтамперную характеристику обычного p-n перехода, достаточно подробно изученную ранее. При наличии освещения ток нагрузки, как видно из (Рис. 151), потечёт 126

по внешней цепи от области р к области n, а внутри кристалла - от области n к области р, т.е. в направлении, которое для обыкновенного диода является обратным и откладывается вниз от нуля по оси ординат; напряжение на фотодиоде - (+) на области р, (-) на области n является прямым для обыкновенного диода и поэтому откладывается вправо от нуля на оси абсцисс. Фактически вольтамперная характеристика фотодиода представляет собой вольтамперную характеристику обычного p-n перехода, смещённую вниз и вправо в зависимости от светового потока Ф. Точки пересечения характеристики Рис. 151 с осями координат представляют собой напряжение холостого хода UХХ (или фото Э.Д.С.) на оси абсцисс и ток короткого замыкания IКЗ на оси ординат. Участок характеристики за точкой UХХ представляет собой режим, когда фотодиод работает с внешним источником Э.Д.С., включенным встречно по отношению к фотодиоду. Участок за точкой IКЗ характеризует работу фотодиода с внешним источником Э.Д.С., включенным согласно по отношению к фотодиоду. Это и есть фотодиодное включение, которое будет рассматриваться ниже. 2. Световая характеристика фотодиода IСВ =f(Ф) или Е= f(Ф) представлена на (Рис.152) Рис. 152 Как следует из (137), напряжение на фотодиоде, или, в режиме холостого хода, фото Э.Д.С. Е изменяется по логарифмическому закону при возрастании светового потока Ф , а световой ток IСВ прямо пропорционально зависит от светового потока Ф (Рис.152). Поэтому при увеличении светового потока Ф характеристики на (Рис. 151) смещаются неодинаково по оси абсцисс и по оси ординат. Так по оси ординат, где откладывается световой ток, характеристики смещаются равномерно при изменении светового потока. По оси абсцисс, где откладывается UХХ=Е, эти харак127

теристики смещаются нелинейно, а в соответствии с кривой Е= f(Ф) на (Рис.152). 3. Спектральная характеристика. Это- зависимость S*=f(λ), где S* - относительная мощность фотодиода; λ – длина волны электромагнитного излучения. Вид этой характеристики представлен на (Рис.153). Зависимость 1 представляет собой относительную мощность солнечного излучения. Зависимости 2 и 3 показывают относительную мощность фотодиодов, выполненных на основе кремния и германия. Очевидно, что в области видимой части спектра солнечного излучения наибольшую относительную мощность имеет фотодиод на основе кремния. Именно из кремния делаРис. 153 ют чаще всего фотодиоды, работающие в этой области длин волн. Фотодиодное включение.

Фотодиодное включение представлено на (Рис.154). Здесь фотодиод работает с внешним источником Е, который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении и, следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фото Э.Д.С. ЕФ , которая по отношению к исРис. 154 точнику Е включена последовательно согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф. Этот режим иллюстрируется отрезками вольт- амперной характеристики фотодиода в третьем квадранте (Рис.151). Однако в справочной лите- Рис. 155 ратуре эти характеристики приводятся чаще в первом квадранте (Рис.155) для удобства пользования ими. Основными параметрами фотодиодов являются: 128

1. Чувствительность К=

I СВ ; Ф

2. Рабочее напряжение UРАБ; 3. Динамическое сопротивление RД=

ΔU Ф = const . ΔI

Фототранзисторы

Фототранзистор – это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n переходами. Устройство и принцип действия фототранзистора такие же, как и биполярного транзистора. Отличие же заключается в том, что внешняя часть базы является фоточувствительной поверхностью, а в корпусе имеется окно для пропускания света (Рис. 156). Иногда фототранзистор имеет только два вывода: эмиттера и коллектора. Принцип действия фототранзистора заключается в следующем. В затемнённом состоянии и отсутствии входного сигнала на баРис. 156 зе транзистор закрыт и в его коллекторной цепи протекает небольшой обратный ток коллекторного перехода. При освещении базовой области лучами света там происходит возникновение пар «электрон- дырка». Неосновные носители (в нашем случае дырки) подхватываются полем коллекторного перехода и перебрасываются в область коллектора, а в базе остаётся нескомпенсированный заряд электронов – основных носителей, который приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода и к инжекции дырок из эмиттера в базу. Это приведёт к увеличению коллекторного тока, как если бы на вход транзистора был бы подан входной сигнал, вызвавший такую же инжекцию носителей. Но здесь вместо входного электрического сигнала был использован световой сигнал. Коллекторный ток IK= β ⋅ I Ф (138), где β – коэффициент передачи транзистора по току; IФ – фототок, возникший в базовой области под действием светового входного сигнала. Таким образом, чувствительность фототранзистора в β раз больше чувствительности фотодиода. На принципиальных схемах фототранзистор обозначается изображают символом:

129

Схемы включения его, так же, как и биполярного транзистора, могут быть с общей базой, общим эмиттером, с общим коллектором. В качестве примера на (Рис. 157) приведена схема включения с общим эмиттером. Вольт- амперная характеристика фототранзистора очень напоминает выходные характеристики биполярного транзистора (Рис. 158), с той лишь разницей, что снимаются они при постоянном световом потоке. Остальные характеристики фототранзистора идентичны характеристикам фотодиода. Основными недостатками фототранзистора являются его большая температурная зависимость и плохие частотные свойства.

Рис. 157 Рис. 158 Фототиристоры.

По такому жае принципу, как и управление фототранзистором, можно управлять и тиристором. Такой прибор называется фототиристором. Вместо управляющего электрода сигнал управления в виде пучка лучистой энергии подаётся в специальное окно в корпусе прибора, что приводит к тем же явлениям, как если бы был подан электрический сигнал управления на управ130

ляющий электрод. Все остальные характеристики такого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением. На принципиальных схемах фототиристор обозначается символом :

Светодиоды.

Светодиоды - это излучающие полупроводниковые приборы с общим p-n переходом, преобразующие электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Принцип действия светодиодов основан на использовании явления излучательной рекомбинации. Когда через p-n переход протекает прямой ток, то при этом происходит рекомбинация носителей, т.е. заполнение свободного энергетического уровня в валентной зоне электроном, находящимся в зоне проводимости, что, естественно, сопровождается выделением энергии. Чаще всего эта энергия выделяется в виде тепла, но можно подобрать такие полупроводниковые материалы, в которых явление рекомбинации будет сопровождаться излучением квантов лучистой энергии. Обычно это наблюдается в полупроводниках, представляющих собой двойные и тройные соединения. Так, светодиоды красного, желтого и зелёного свечения изготавлиРис. 159 вают на основе фосфида галлия, с фиолетовым свечением - на основе карбида кремния и т.д. Конструктивное оформление светодиодов также различное, однако чаще всего они выполняются в виде монокристалла полупроводника, в котором создан p-n переход; кристалл вмонтирован в стеклянный корпус- линзу, свободно пропускающую излучаемый свет (Рис.159). Светодиоды нашли широкое применение в устройствах отображения информации, в вычислительных устройствах для ввода - вывода информации, а также в устройствах оптоэлектроники. Оптоэлектронные устройства.

Оптоэлектроника - это область электроники, где используют методы преобразования световых сигналов в электрические и наоборот в системах передачи, обработки и хранения информации.

131

Элементами оптоэлектронных устройств являются фотоэлектронные приборы, рассмотренные выше, а связь между элементами не н электрическая, а оптическая. Таким образом, в оптоэлектронных устройствах практически полностью устранена гальваническая связь меРис. 160 жду входными и выходными цепями и практически полностью устранена обратная связь между входом и выходом. Комбинируя элементы, входящие в оптоэлектронные устройства, можно получать самые различные их функциональные свойства. Простейшим оптоэлектронным устройством является оптрон. Оптрон - это устройство, объединяющее в одном корпусе светодиод и приёмник фотоизлучения, например, фотодиод (Рис.160). Входной, усиливаемый сигнал UВХ поступает на светодиод и вызывает его свечение, которое по световому каналу поступает на фотодиод. Фотодиод открывается и в его цепи протекает ток под действием источника Е; на резисторе RH создаётся падение напряжения, которое представляет собой выходной сигнал UВЫХ , пропорциональный входному. Эффективную оптическую связь между элементами оптрона осуществляют с помощью средств волоконной оптики - световодов, выполненных в виде жгута из тонких прозрачных нитей, по которым сигнал передаётся за счёт полного внутреннего отражения с минимальными потерями и с высокой разрешающей способностью. Вместо фотодиода в составе оптрона может быть фототранзистор, фототиристор. Представляет интерес ещё один оптоэлектронный прибор - оптотранзистор с прямой оптической связью. Схематическое устройство этого прибора приведено на (Рис.161). Эмиттерный переход здесь, как обычно, включают в прямом направлении. За счёт явления излучательной рекомбинации он излучает свет. Коллекторный переход смещается, как обычно, в обратном направлении. Излучение с эмиттерного перехода поглощается в области коллекторного перехода, где за счёт внутреннего фотоэффекта образуется дополнительные носители зарядов, обусловливающих протекание Рис. 161 тока в коллекторной цепи. Для нормальной 132

работы оптотранзистора необходимо, чтобы в области базы не поглощалось излучение, испускаемое эмиттерным p-n переходом. Для гальванической развязки входной и выходной цепей в базе параллельно с p-n переходами создают высокоомный слой, обеднённый носителями электрических зарядов. Оптотранзистор имеет высокое быстродействие по сравнению с обычными транзисторами, а прямая оптическая связь обеспечивает отсутствие отражения, которое может существовать на границах между фотоизлучателем и фотоприёмником. ГЛАВА VI Газоразрядные приборы.

Газоразрядные приборы (их ещё называют ионными) представляют собой герметизированный баллон, внутри которого смонтированы два или более электродов. После откачки воздуха в баллон под некоторым давлением водится инертный газ или пары ртути или другой газ. Устройство простейшего газоразрядного прибора показано на (Рис.162). Электроды в газоразрядных приборах называют 1 - положительные катодом и анодом. К катоду подключается отриионы 2- электроны цательный полюс внешнего источника Е, а на 3 – нейтральные атоанод - положительный. Катод обычно выполнямы ют плоским или цилиндрическим из тугоплавких металлов, а анод выполняют в виде металлического или графитового стержня. Газ состоит из нейтральных молекул и, казалось бы, должен Рис. 162 быть изолятором. Однако, если к электродам подвести разность потенциалов от внешнего источника, то в газовом объёме начнёт протекать электрический ток , обусловленный наличием в газе носителей электрических зарядов: электронов и положительно заряженных ионов. Процесс ионизации нейтральных молекул газа связан с различными факторами (космические лучи, естественный радиоактивный фон и т.д.). При подобных энергетических воздействиях на атомы газа с их электронных оболочек могут отрываться электроны, становясь свободными носителями электрического заряда, а сам атом превращается в положительно заряженный ион. Они начинают разгоняться в электрическом поле, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Сталкиваясь с нейтральными атомами они передают им свою кинетическую энергию и возбуждают их или даже производят ударную ионизацию. При возбуждении электроны переходят на более высокий энергетический уровень, а при ионизации - совсем покидают атомы. В возбуждённом состоянии электроны находятся недолго и, возвращаясь в 133

исходное состояние, они излучают кванты лучистой энергии и делают видимым газовый разряд. Одновременно с процессом ионизации атомов идёт и обратный процесс - рекомбинация или деионизация, когда электрон занимает свободный энергетический уровень и образуется нейтральный атом. Для ограничения тока в газоразрядном приборе в его анодную цепь вводится ограничительное сопротивление Rе. Величина тока зависит от давления газа, расстояния между электродами, степени ионизации и других факторов. Процесс протекания тока в газовой среде называется разрядом. Все газовые разряды делятся на два основных вида: 1. Несамостоятельный; 2. Самостоятельный. Несамостоятельный разряд возникает под действием внешних ионизаторов (термоэлектронная эмиссия, естественная радиация и т.д.) и прекращается при их отсутствии. Самостоятельный разряд продолжается и после удаления внешнего ионизатора, только под действием сил электрического поля. Оба вида газовых разрядов могут происходить в различных условиях, с разной интенсивностью и подразделяются на тёмный, тлеющий, дуговой, коронный и искровой. Вольт - амперная характеристика.

Вольт - амперная характеристика это зависимость тока газоразрядного прибора от напряжения между анодом и катодом: ia=f(Ua). Типовой её вид показан на (Рис.163). Здесь участок ОАБ соответствует несамостоятельному разряду. На участке ОА носители электрического заряда, образовавшиеся под действием естественных ионизирующих факторов начинают двиРис. 163 гаться вдоль силовых линий слабого электрического поля. На участке АБ практически все носители участвуют в образовании электрического тока (участок насыщения). Этот разряд называется тихим или тёмным. Свечения газа здесь ещё нет. Участок БВ соответствует увеличению тока тихого разряда из-за ударной ионизации молекул газа, а также из-за вторичной электронной эмиссии катода под ударами разогнавшимися положительными ионами. 134

ВГ - начальный участок тлеющего разряда. На этом участке возрастает концентрация положительно заряженных ионов вблизи катода и интенсивность ударной ионизации. Процесс сопровождается увеличением тока и падением напряжения UА вследствие перераспределения напряжения источника Е между сопротивлением RH и изменяющимся внутренним сопротивлением прибора. Точка Г соответствует возникновению между анодом и катодом плазменного столба. Плазма - это смесь электронов и ионов, обладающая высокой проводимостью, и на участке ГД имеет место нормальный тлеющий разряд. Поскольку масса образующихся в процессе ионизации электронов и ионов неодинакова (электрон значительно легче тяжёлых ионов), то электроны движутся к аноду с гораздо большей скоростью, чем тяжёлые ионы движутся к катоду. Поэтому у катода скопление положительных ионов образует объёмный положительный заряд, вызывающий перераспределение потенциала в межэлектродном пространстве (Рис.164). Вместо линейно возрастающего от катода к аноду потенциала (показан пунктиром), имеет место следующая зависимость: вследствие возникновения объёмного положительного заряда у катода наблюдается резкий рост потенциала до величины UK , а затем потенциал изменяется очень незначительно, так как падение напряжения в плазме очень маленькое. При нормальном тлеющем разряде (участок ГД) площадь поверхности катода S, охваченной свеРис. 164 чением, пропорциональна величине тока i, протекающего через прибор, а плотность тока j =

i остаётся примерно постоянной. Это свойство газоразS

рядных приборов используется в газоразрядных стабилитронах или стабиловольтах для получения постоянного (опорного) напряжения, подобно полупроводниковым стабилитронам. После того, как вся поверхность катода охвачена катодным свечением, разряд переходит в аномальный тлеющий (участок ДЕ), при котором рост плотности тока может быть достигнут лишь за счёт увеличения напряжённости электрического поля между анодом и катодом и увеличения интенсивности процесса ионизации. Если не ограничить рост тока, то при некотором критическом значении напряжения (точка Е), называемом напряжением зажигания дугового разряда на участке ЕЖ возникает дуговой разряд. Скорости положительных ионов , бомбардирующих катод становятся очень боль135

шими; катод разогревается и возникает термоэлектронная эмиссия. Кроме того возможна эмиссия электронов с катода под действием сильного электрического поля между анодом и катодом (электростатическая эмиссия). Плотность тока поэтому резко возрастает, а внутреннее сопротивление и, соответственно, напряжение UAK уменьшается. Дуговой разряд сопровождается сильным свечением рабочего участка катода, называемого катодным пятном. Дуговой разряд может быть самостоятельным и несамостоятельным. Самостоятельный поддерживается за счёт явлений в самом разряде. Несамостоятельный поддерживается за счёт постороннего источника эмиссии, например, подогревного катода. Коронный разряд - это разновидность тлеющего разряда. Он возникает там, где резко искажается электрическое поле, например, острая кромка, штырь и т.д. Искровой разряд сходен с дуговым разрядом и возникает при высокой напряжённости электрического поля и развивается по извилистому пути, насыщенному заряженными частицами. Классификация газоразрядных приборов по видам газовых разрядов.

В Электронной технике находят широкое применение все виды газовых разрядов. Тёмный разряд применяется в газоразрядных фотоэлементов. Тлеющий разряд применяется в большой группе приборов, обладающих постоянством напряжения между анодом и катодом при изменении тока разряда. Это стабиловольты, тиратроны с холодным катодом , неоновые лампы и др. Аномальный тлеющий разряд применятся в лампах дневного света. Дуговой разряд - в тиратронах, ртутных вентилях, газоразрядных источниках света и др. Коронный разряд обладает свойством разделять заряженные частицы с их последующим осаждением на электродах. Поэтому он применяется в системах для очистки газов, жидкостей, пылевых фильтрах, приборах для счёта элементарных частиц и др. Искровой разряд применяется в устройствах электроискровых технологий, в разрядниках и др. Применение газоразрядных приборов.

1. Газоразрядные стабилитроны. Используются в качестве источника опорного напряжения. Рабочим участком вольт- амперной характеристики является участок нормального тлеющего разряда (Рис.165). На участке ав большому диапазону изменения тока ΔI соответствует незначительное изменение напряжения ΔU. На принципиальных схемах газоразрядный стабилитрон обозначается символом: 136

Рис. 165

Rд =

ΔU . ΔI

Схема включения газоразрядного стабилитрона показана на (Рис.166). Эта схема подобна схеме включения полупроводникового стабилитрона, но рабочее напряжение здесь обычно значительно выше. Основные параметры газоразрядных стабилитронов: 1. Напряжение зажигания Uзаж; 2. Напряжение стабилизации Uстаб; 3. Максимальное и минимальное значение тока Imax; Imin; 4. Динамическое сопротивление Rд :

2. Индикаторные неоновые лампы. Применяются в качестве индикаторов постоянного и переменного напряжения. при работе используется участок вольт- амперной характеристики, соответствующей тлеющему разряду. Для того, чтобы разряд не перешёл в дуговой, последовательно с прибором включают ограничительное сопротивление. 3. Тиратроны тлеющего разряда (с холодным катодом). В тиратронах между анодом и катодом располагается ещё один электрод - сетка. В исРис. 166 ходном состоянии напряжение между анодом и катодом недостаточно для возникновения тлеющего разряда. 137

Между сеткой и катодом включается ещё один источник Э.Д.С. ЕС. За счёт меньшего расстояния между сеткой и катодом под действием малой величины ЕС возникает и поддерживается вспомогательный тихий разряд (рис . 167). С поступлением на сетку импульса напряжения управления UУ между сеткой и катодом тихий разряд переходит в тлеющий и перебрасывается на анод. Таким образом, между анодом и катодом возникает тлеющий разряд, в цепи наРис. 167 грузки протекает ток мощного источника Еа. После включения тиратрона его сетка становится неэффективной , т.е. воздействием на неё невозможно прервать разряд в газе и для выключения тиратрона необходимо разомкнуть его цепь, либо другими способами снизить ток его до нуля. После деионизации промежутка между анодом и катодом тиратрон снова восстанавливает свои управляющие свойства. В этом отношении тиратрон подобен своему полупроводниковому аналогу - тиристору. Газоразрядные (люминесцентные) лампы.

К газоразрядным лампам относится большая группа приборов, работающих при дуговом разряде в газах. Рассмотрим работу наиболее распространённого типа осветительных приборов - люминесцентных ламп (Рис.168).

Рис. 168 Люминесцентная лампа представляет собой стеклянный баллон, заполненный инертным газом и парами ртути. Изнутри стенки баллона покрыты слоем люминофора - вещества, испускающего световые волны при облучении его ультрафиолетовыми лучами. По торцам лампы вмонтированы электроды, выполненные в виде вольфрамовых нитей. В цепь лампы включают 138

дроссель Lдр и небольшой газоразрядный прибор - стартер С, у которого один из электродов выполнен в виде биметаллической пластинки. Биметаллическая пластинка изготавливается из двух металлов 1 и 2, имеющих различный коэффициент линейного расширения (Рис. 169). При нагревании такой пластинки из-за неодинакового расширения металлов 1 и 2 пластинка будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения. В исходном состоянии положение электрода этого стартера таково, что он не замыкается со вторым электродом. Поэтому при замыкании выключателя ВКЛ напряжение сети прикладывается между электродами стартера . Между ними возникает тлеющий разряд в газе, биметаллический электрод нагревается, и, деформируясь, замыкает межэлектродный промежуток накоротко. По цепи вольфрамовых электродов лампы начинает протекать ток, они накаляются и ионизируют газовую смесь в лампе. В это время биметаллический электрод остывает, так как тлеющий разряд прекратился, и, принимая первоначальную форму, снова размыкает электрическую цепь. В этот момент в дросселе Lд возникает большая Э.Д.С. самоиндук- Рис. 169 ции, которая, прикладываясь между электродами лампы, вызывает возникновение электрического разряда в уже ионизированной газовой среде. Стартер при этом отключается, а мощный поток ультрафиолетовых лучей, возникающий при электрическом разряде а парах ртути, приводит к свечению люминофора. Подбирая состав люминофора, можно получать свечение лампы различных оттенков. Существуют газоразрядные приборы и других типов, как правило, мощные, рассчитанные на огромные токи (до тысяч ампер) и высокие напряжения (тысячи вольт). Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены современными мощными полупроводниковыми приборами диодами, тиристорами. Электронно- лучевая трубка.

Электронно- лучевая трубка представляет собой электронно- лучевой прибор для осциллографии, приёма телевизионных изображений, электронно- лучевых коммуникаторов и ряда других областей техники. Во всех этих приборах создайтся тонкий пучок электронов (электронный луч), управляемый с помощью электрических или магнитных полей. Существует большое разнообразие электронно- лучевых трубок. Они могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча; электронно- лучевые трубки бывают с различными цветами изображения на люминесцирующем экране; с различ139

ной длительностью свечения экрана (так называемое послесвечение). Они различаются также по размерам экрана, материалом баллона и другим признакам. Устройство электростатической электронно- лучевой трубки.

Это вид электронно- лучевой трубки с системой фокусировки и отклонения электронного луча при помощи электрического поля, который нашёл наиболее широкое применение в различных устройствах для осциллографирования быстро протекающих процессов. Устройство этого прибора и его схема изображены на (Рис.170). Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса.

Рис. 170 На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесён люминесцирующий экран (ЛЭ) – слой вещества, способного давать свечение под ударами быстро летящих электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы на штырьки цоколя. Катод К предназначен для создания эмиссии электронов; выполняется в виде цилиндра, внутри которого располагается подогреватель в виде нити накала. На донышко катода наносится оксидный слой – смесь окислов щелочных металлов, который снижает работу выхода электрона из металла и улучшает таким образом эмиссионную способность катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором (М), цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для его предварительной фо140

кусировки. На модулятор подаётся небольшое отрицательное напряжение относительно катода. Следующие электроды также цилиндрической формы называются анодами. В простейшем случае их только два (А1 и А2). На второй анод подаётся очень высокое напряжение относительно катода, а на первом аноде напряжение несколько меньше. Внутри анодов обычно устанавливают перегородки с отверстиями, называемые диафрагмами. Под действием высокого напряжения, подаваемого на аноды, возникает сильное электрическое поле. При включении подогрева катода он нагревается и начинает эмитировать электроны. Под действием сильного электрического поля электроны начинают разгоняться, причём, поскольку на их пути стоит модулятор М с отрицательным потенциалом относительно катода, то они испытывают с его стороны отталкивающее, тормозящее действие. Поэтому электроны преодолевают модулятор по самому центру его отверстия, собираясь в узкий пучок. Если увеличивать отрицательный потенциал модулятора, то всё меньшее количество электронов будет проходить через его отверстие, а при некотором значении этого потенциала электронный поток вообще прекратится, так как все электроны будут отталкиваться модулятором назад к катоду. Если электроны преодолели модулятор, то затем они будут ускоренно двигаться по направлению к анодам, но поскольку напряжение на втором аноде значительно выше, чем на первом, от электроны пролетают первый анод насквозь, причём, пролетая сквозь диафрагмы с отверстиями, электроны подвергаются действию электрических полей этих диафрагм, которые играют роль электронных линз, обеспечивающих окончательную фокусировку электронного луча. Скорость электронов возрастает настолько, что они пролетают насквозь и второй анод и продолжают движение к люминесцирующему экрану (ЛЭ). Рассмотренное устройство, состоящее из катода, модулятора и анодов, называется электронной пушкой. Далее на пути следования электронного луча устанавливают две пары металлических отклоняющих пластин, вертикальных и горизонтальных. Разность потенциалов, подаваемая на две пластины, заставляет электронный луч отклоняться в сторону положительной пластины. Таким образом две пары отклоняющих пластин позволяют управлять электронным лучом в горизонтальной и вертикальной плоскости. Попадая на экран, поток быстролетящих электронов вызывает свечение люминофора, и на экране будет видно светящееся пятно, которое можно перемещать в любую точку экрана и изменять интенсивность его свечения. Электроны, попадая на экран, передают ему свой заряд, и в результате создаётся электрическое поле, тормозящее движение электронов. Яркость свечения станет уменьшаться и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо отводить отрицательный заряд с экрана. Для этого служит так называемый проводящий слой (ПС). Это слой графита, ко141

торый наносится на внутреннюю поверхность баллона и соединяется со вторым анодом. Электроны, попадая на экран с большой скоростью, выбивают с его поверхности вторичные электроны, которые тут же направляются к проводящему слою. Поэтому потенциал на экране и на проводящем слое примерно одинаковый. Цепи питания электронно- лучевой трубки показаны на (Рис.171). Постоянные напряжения на электроды подаются от двух источников с напряжениями Е1 и Е2. Источник Е1 должен быть высоковольтным, а Е2 – низковольтным. Питание электронной пушки осуществляется через делитель напряжения R1 – R2 – R3 – R4. Потенциометр R2 является регулятором яркости . С его помощью изменяется отрицательный потенциал модулятора. Для фокусировки электронного луча служит потенциометр R3. Следует отметить, Рис. 171 что системe питания электронно- лучевой трубки обычно заземляется положительный электрод высоковольтного источника Е1, а на катоде и особенно на модуляторе, следовательно, будет большой отрицательный потенциал. Поэтому при работе с электронно- лучевой трубкой следует соблюдать осторожность и не допускать соприкосновения с этими электродами во избежание поражения элекрическим током. Питание отклоняющей системы осуществляется от источника Е2 через делитель напряжения R9 – R10 и потенциометры R5 и R6, при помощи которых устанавливают среднее положение луча. Если теперь на горизонтальные отклоняющие пластины подавать с какой- либо частотой пилообразное напряжение (линейно возрастающее напряжение) (Рис.172), то тогда луч будет совершать Рис. 172 в горизонтальном направлении возвратно- поступательные движения, называемые развёрткой. Если же теперь подать на вертикально отклоняющие пластины какой-то исследуемый 142

электрический сигнал, то на экране электронно- лучевой трубки можно будет наблюдать графическое изображение этого сигнала во времени. Этот принцип широко используется в осциллографах для визуального

Рис. 173 наблюдения исследуемых сигналов. Подбирая частоту напряжения развёртки равной или кратной частоте исследуемого сигнала, можно получить на экране неподвижную во времени картину его изменения. Этот процесс называется синхронизацией. В принципе на экране электронно- лучевой трубки можно непосредственно наблюдать магнитные характеристики какого- либо материала (Рис.173). В цепь первичной обмотки трансформатора Тр включено сопротивление R0. При протекании первичного тока на этом сопротивлении возникает падение напряжения, пропорциональное намагничивающей силе Н: (139) UR0≡H. Напряжение на вторичной обмотке U2 пропорционально магнитной индукции В:

U2 ≡ B ≡

Ф , S

где Ф – магнитный поток, S – площадь поперечного сечения магнитного провода. dФ dB = −W2 ⋅ S ⋅ ; Э.Д.С. вторичной обмотки e2 = −W2 ⋅ dt dt Напряжение на конденсаторе UC =

W ⋅S ⋅B 1 1 e ⋅ ∫ iC ⋅ dt = ⋅ ∫ 2 ⋅ dt = − 2 ; C C R R ⋅C

(140)

(141)

(142)

Если напряжение UR0 подать на горизонтально отклоняющие пластины, а напряжение UC подать на вертикально отклоняющие пластины, то на экране луч будет изменяться в координатах B = f ( H ) , т.е. на экране можно будет наблюдать намагничивание сердечника трансформатора. Аналогичным образом можно непосредственно на экране электроннолучевой трубки получить вольтамперные характеристики различных полупроводниковых приборов, если на горизонтальный вход подавать сигнал 143

пропорциональный току арибора, а на вертикальный вход – пропорциональный напряжению на приборе. Рассмотренная конструкция электронно- лучевой трубки не является единственной . Существует большое количество различных вариантов её построения, подключения, использования. Кроме рассмотренной системы фокусировки и отклонения луча широкое распространение получили магнитные системы, когда на движущиеся электроны воздействуют магнитным полем. При этом возникает сила Лоренца

F = q ⋅V × B , где q – заряд электрона;

V - вектор скорости электрона; B - вектор магнитной индукции. Изменяя величину этой силы можно изменять степень влияния на движущийся электронный пучок. Магнитные системы получили наиболее широкое применение в электронно- лучевых трубках телевизионных приёмников (кинескопах), а также в индикаторных электронно- лучевых трубках радиолокационных станций.

144

Приложение Условное графическое обозначение компонентов электрических схем по ЕСКД. 1. Диоды (рис.1.) Условное графическое обозначение диода - треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образует подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Короткая черточка, перпендикулярная этой стрелке, символизирует катод. 1. Диод: а) общее обозначение; б) туннельный; в) обращенный, г) стабилитрон (лавинный выпрямительный диод) односторонний; д) стабилитрон (диод выпрямителъный лавинный) двусторонний; е) теплоэлектрический; ж) варикап; з) двунаправленный; и) диод Шотки; к) модуль с несколькими одинаковыми диодами с общим анодным и самостоятельными выводами. 2. Тиристор (базовый символ диода использован и в условном графическом обозначении тиристоров - полупроводниковых приборов с тремя р - п переходами (структура р - п - р - п), используемых в качестве переключающих диодов): а) диодный, запираемый в обратном направлении; б) диодный, проводящий в обратном направлении; в) диодный симметричный; г) триодный, общее обозначение; д) триодный, запираемый в обратном направлении с управлением по аноду; е) триодный, запираемый в обратном направлении с управлением по катоду; ж) триодный, запираемый в обратном направлении, выключаемый с управлением по аноду; з) триодный, запираемый в обратном направлении, выключаемый, с управлением по катоду; и) триодный, проводящий в обратном направлении, с управлением по аноду; к) триодный, проводящий в обратном направлении, с управлением по катоду; л) триодный симметричный (двунаправленный); м) тетроидный, запираемый в обратном направлении. 2. Транзисторы (рис.2.) Транзистор содержит два p - n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой - с коллектором (коллекторный переход). Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе, то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база -типа п; если же стрелка направлена в противоположную сторону, электропроводность эмиттера и базы обратная (соответственно п и p ). Поскольку электропроводность коллектора та же, что и эмиттера, стрелку на символе коллектора не изображают. 1. Транзистор c PN-переходом: а) типа PNP; б) типа PNP с выводом от внутреннего экрана; в) типа NPN с коллектором, электрически соединенным с корпусом; г) лавинный типа NPN (при повороте УГО транзистора положение знака эффекта лавинного пробоя должно оставаться неизменным); д) однопереходный с N-базой; е) однопереходный с P -базой; ж) типа PNP с двумя ба145

зовыми выводами; з) типа PNIP; и) типа PNIN с выводом от I-области; к) многоэмиттерный типа NPN. 2. Полевой транзистор: а) с каналом N-типа; б) с каналом P -типа; в) с изолированным затвором обогащенного типа с P-каналом; г) с изолированным затвором обогащенного типа с N-каналом; д) с изолированным затвором обеднённого типа с P-каналом; е) с изолированными затворами обедненного типа с N-каналом; ж) с изолированным затвором обогащенного типа с P-каналом с выводом от подложки; з) с изолированным затвором обогащенного типа с Nканалом и с внутренним соединением подложки и истока; и) с двумя изолированными затворами обедненного типа с N -каналом и с выводом от подложки. 3. Фоточувствительные, излучающие и прочие полупроводниковые приборы (рис.3.) 1. Фоточувствительные и излучающие приборы: а) фоторезистор, общее обозначение; б) фоторезистор дифференциальный; в) фотодиод; г) фототиристор диодный; д) фоторезистор типа PNP; е) фотоэлемент солнечный; ж) солнечная батарея (п - солнечных элементов); з) светодиод. 2. Датчик Холла. 3. Оптоэлектронные приборы: а) оптрон диодный; б) оптрон тиристорный; в) оптрон резисторный; г) оптрон диодный с усилителем, изображенный совмещенно; д) оптрон диодный с усилителем, изображенный разнесённо; е) прибор оптоэлектронный с фоторезистором и с выводом от базы; ж) прибор оптоэлектронный с фоторезистором без вывода от базы.

146

Рис.1.

147

Рис. 2.

148

Рис. 3.

149

Список литературы 1. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М: Энергия, 1968. - 624с. 2. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л: Энергия, 1974. – 463с. 3. Харченко В.М. Основы электроники. – М: Энергоиздат, 1982. – 353с. 4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М: Энергия, 1967. – 615с. 5. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. –М: Высшая школа, 1987. – 447с. 6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. – М: Высшая школа, 1973. – 397с. 7. Чиженко И.М., Руденко В.С, Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. – М: Высшая школа, 1974. – 430с. 8. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. – М: Изд-во стандартов, 1989. – 325с.

150

Содержание:

Введение…………………………………………………………………...…3 Глава I Физические основы работы полупроводниковых приборов…….……………………………………………….....………….4 Механизм собственной проводимости полупроводников…...…..7 Распределение электронов по энергетическим уровням…………9 Механизм примесной проводимости полупроводников……..…10 Физика явлений в p-n-переходе……………………………..……11 Глава II Полупроводниковые диоды.………………………….…….…….23 Стабилитроны ……………………………………………….……29 Выпрямительные диоды …………………………………….…...31 Применение полупроводниковых диодов….……………….…..37 Глава III Транзисторы………………………………………………….…..49 Три схемы включения транзистора ……………………….…….53 Транзистор как линейный четырехполюсник …………….…....64 Режимы работы транзистора ……………………………………69 Динамические характеристики транзистора ...…………………74 Режимы работы усилительных каскадов ……………………….77 Полевые транзисторы ……………………………………………87 Глава IV Тиристоры и динисторы ………………………………………..94 Применение силовых транзисторов и тиристоров ……………103 Глава V Фотоэлектрические приборы …………………………………..119 Фотоэлектронный умножитель …………………………………122 Фоторезисторы …………………………………………………..123 Фотодиоды ……………………………………………………….124 Фототранзисторы ………………………...……………………...129 Светодиоды ……………………………………..……………….131 Оптоэлектронные устройства ……………………..…………...131 Глава VI Газоразрядные приборы ………………………………………..133 Электронно-лучевая трубка ……………………………..……..139 Приложение ………………………………………………………………..145 Список литературы ………………………………………………………..150

151

Виталий Петрович Петрович

Физические основы электроники. Учебное пособие.

Научный редактор канд.техн.наук Муравлёв И.О.

Редактор Н.Я.Горбунова.

Подписано к печати Формат 60X84/16. Бумага писчая №2. Плоская печать. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № Цена ИПФ ТПУ. Лицензия от Ротапринт ТПУ.634034 Томск, пр. Ленина 30

152