Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Тепер промисловістю  освоений випуск кремнієвих діодних  матриць і збірок, що об'єднують  один або декілька імпульсних діодів за певною схемою вмикання. Такі матриці  і збірки можна застосовувати  як окремі функціональні вузли при проектуванні імпульсних та інших схем. Вони випускаються або в пластмасовому корпусі, або без нього і призначені для використання в гібридних мікросхемах із загальною герметизацією.

Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня постійної напруги. Такий прилад являє собою площинний напівпровідниковий діод, на вольт-амперній характеристиці якого (рис.) є ділянка аб зі слабкою залежністю напруги від струму.

Якщо зворотна напруга  такого діода перевищує значення u_(br) , відбувається лавинний пробій р-п-переходу. При цьому спостерігається різке зростання зворотного струму при майже незмінному рівні зворотної напруги. Це явище використано в стабілітронах, які вмикають у коло джерела постійної напруги в зворотному напрямі. На рис. в першому квадранті вольт-амперної характеристики показане зворотне ввімкнення стабілітрона. Якщо зворотний струм через стабілітрон не перевищує значення 1_{st тах} , то електричний пробій не призводить де псування діода протягом сотень тисяч годин.

Стабілітрони виготовляють з кремнію. Це зумовлено малим значенням зворотного струму в кремнієвих діодах, що виключає можливість їх саморозігріву і теплового пробою р-п-переходів.

Стабілітрони характеризуються такими основними параметрами: напругою стабілізації U_ST - напругою на стабілітроні при протіканні заданого струму стабілізації, наприклад I_STnom (рис.). Крім I_ST , вказуються також мінімальне 1_STmin і максимальне I_STmax значення постійних струмів на ділянці стабілізації, при яких забезпечується задана надійність. Перевищення струму I_stтaх призводить до теплового пробою р-n-переходу. Мінімальний струм стабілізації 1_{st тіп} обмежується величиною і нестабільністю зворотного струму в передпробійний період. Напруга стабілізації сучасних стабілітронів лежить у межах 1 - 1000 В, а значення мінімального та максимального струмів стабілізації відповідно в межах 1_stmin» 1...10 мА, I_stmax» 50...2000 A;

диференційним опором стабілітрона в робочій точці на ділянці стабілізації , що визначає ступінь зміни напруги стабілізації при зміні струму через стабілітрон. На ділянці стабілізації звичайно r_R= 0,5 ... 200 0м;

температурним   коефіцієнтом  напруги  стабілізації , що визначається відносною зміною напруги стабілізації із зміною температури на 1°С.

За напругою стабілізації стабілітрони поділяють на низьковольтні (U_ST < 5,4 В) та високовольтні (U_ST >5,4 В). Рівень напруги стабілізації залежить від товщини збідненого шару р-n-переходу, а отже, ступеня легування кремнію домішкою. Щоб одержати низьковольтні стабілітрони, потрібно використати сильно легований кремній з дуже малою товщиною р-n-переходів. Низьковольтну напругу в межах 0,3 ... 1В стабілізують, використовуючи пряму вітку вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів, що називаються стабісторами.

На різний характер пробою високовольтних і низьковольтних стабілітронів вказує знак при a_T . У низьковольтних стабілітронів з підвищенням температури напруга стабілізації зменшується, у високовольтних збільшується, і a_T має негативний знак.

На рис. показана схема, що пояснює принцип роботи найпростішого стабілізатора постійної напруги. Якщо вхідна напруга стабілізатора збільшується, то це приводить до збільшення струму через стабілітрон і резистор R_б (R_H= const.). Надлишок вхідної напруги виділяється на R_б , а напруга U_вих - на опорі навантаження, що дорівнює U_ST (навантаження під'єднане паралельно до стабілітрона), залишається незмінною. Із зміною опору R_H струм, що протікає через опір R_б , залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між стабілітроном і навантаженням, а напруга U_вих , як і раніше, зберігається незмінною. Для зменшення a_Т послідовно із стабілітроном з'єднують термозалежний опір R_T , наприклад р-n-перехід, зміщений у прямому напрямі.

 

Біполярні транзистори

Класифікація  та будова транзисторів. Біполярні транзистори є активними напівпровідниковими приладами, що забезпечують підсилення потужності електричних сигналів. Будова біполярного транзистора така. Між трьома шарами напівпровідника різної електропровідності на межі їх поділу є два р-n-переходи. В залежності від характеру електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори типу р-п-р (рис.) і n-р-п (рис.). Умовні позначення транзисторів цих типів показані відповідно на рис.

Внутрішню область монокристала транзистора, що розділяє р-п-переходи, називають базою (В). Зовнішній шар монокристала, що призначений для інжектування (впроваджування) носіїв заряду в базу, називають емітером (Е), а р-n-перехід П1, що примикає до емітера,— емітерним. Інший зовнішній шар, екстрагуючий (витягуючий) носії заряду з бази, називають колектором (С), а перехід П2 — колекторним. База є електродом, що керує струмом через транзистор, оскільки, змінюючи напругу між базою та емітером, можна керувати густиною струму інжекції, а отже, і екстракції.

Залежно від матеріалу, застосовуваного  для виготовлення транзисторів, розрізняють германієві та кремнієві транзистори, а залежно від технології виготовлення — сплавні, вирощувані, дифузійні, епітаксійні та планарні. У виробництві дискретних транзисторів звичайно застосовується епітаксійно-планарна та мезапланарна технології, а у виробництві транзисторів інтегральних мікросхем — епітаксійно-планарна.

Класифікаційні ознаки транзисторів за потужністю та частотним діапазоном відображені в третьому елементі їх позначення, що зображує тризначний номер. Перший елемент позначення (цифра або буква) вказує на вихідний матеріал напівпровідника: 1 або Г — германій, 2 або К — кремній. Другим елементом позначення для всіх транзисторів є буква Т, за винятком польових, що позначаються буквою П. Четвертий елемент позначення (буква) вказує на різновидність транзистора даного типу. Наприклад, ГТ905А — германієвий потужний високочастотний транзистор, різновидність типу А.

Якщо емітерний перехід зміщений напругою u_e в прямому напрямі, а колекторний перехід напругою U_c—в зворотному (рис.), то ввімкнення транзистора називають нормальним. Змінивши полярність напруг u_e та U_c , одержуємо інверсне ввімкнення.

Фізичні процеси  в транзисторі. Основні процеси, що відбуваються в біполярному транзисторі, розглянемо на прикладі транзистора р-п-р-типу за однією з можливих схем його вмикання (рис.).

При відсутності зовнішніх  напруг (u_e = U_c = 0) поля в р-п-переходах створюються лише об'ємними зарядами іонів, і усталені потенціальні бар'єри обох переходів j_КЕ = j_КК = j_К , що показані на графіку розподілу електростатичного потенціалу (рис.) штриховими лініями, підтримують динамічну рівновагу, а струми через переходи відсутні. При цьому в найбільш поширених бездрейфових транзисторах, що мають рівномірну концентрацію домішки в базі, електричне поле в останній відсутнє, і  j_К= const. по всій товщині бази W_б .

При наявності U_Е та U_С, що визначаються відповідно джерелами е_е та Е_с , відбувається перерозподіл електричних потенціалів переходів (суцільна лінія, рис.). При вказаній на рис. полярності джерел зміщення (нормальне ввімкнення) створюються умови для інжектування дірок з емітера в базу і переміщення електронів з бази в емітер. Оскільки концентрація електронів у базі в багато разів менша, ніж концентрація дірок у шарі емітера, то зустрічний потік електронів значно менший. Тому при зустрічному переміщенні дірок та електронів відбувається лише їх часткова рекомбінація, а надлишок дірок упроваджується в базу, створюючи струм емітера I_E.

В результаті інжекції дірок  у базу, де вони є неосновними  носіями, в останній виникає градієнт (перепад) концентрації дірок, що приводить до їх дифузійного переміщення у всіх напрямах, в тому числі до колекторного р-n-переходу. Дрейф неосновних носіїв до колектора відіграє другорядну роль, оскільки Dj_K = 0. При переміщенні неосновних носіїв через базу їх концентрація зменшується внаслідок рекомбінації з електронами, що надходять в базове коло від джерела е_е . Потік цих електронів створює базовий струм I_B .

Оскільки зменшення концентрації неосновних носіїв dn за час dt пропорційне концентрації п, то з врахуванням коефіцієнта пропорційності k можна записати

Після приведення одержаного виразу до вигляду dn/n = -kdt та його інтегрування маємо

де С — стала інтегрування.

В момент t = 0 концентрація неосновних носіїв дорівнює початковій концентрації n₀ і згідно з рівнянням С = n₀ . Запроваджуючи також k = 1/t, одержуємо

Величину t в рівнянні ( ) називають часом життя неосновних носіїв, що являє собою інтервал часу, протягом якого концентрація неосновних носіїв у базі зменшується в е раз. Оскільки товщина бази сучасних транзисторів становить одиниці мікрометрів, то середній час пробігу неосновних носіїв через базу значно менший за час їх життя. В цих умовах більша частина дірок досягає колекторного р-n-переходу і захоплюється його полем, рекомбінуючи з електронами, що надходять від джерела живлення Е_с . При цьому в колекторному колі протікає струм I_C, замикаючи загальне коло струму. Таким чином, для струмів транзистора справедливе співвідношення

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне характеризується коефіцієнтом передачі струму біполярного транзистора в схемі з загальною базою

який у сучасних транзисторах досягає значення 0,95...0,99 і більше, не перевищуючи, однак, одиниці. Тому I_B»(0,05—0,01)I_E та I_C»(0,95—0,99)I_E . З врахуванням ( ) зв'язок між струмами транзистора визначається співвідношеннями

У формулах ( )-( ) I_E ,I_B ,I_C - амплітудні значення струмів.

Якщо напругу в колі емітера  змінювати в часі за законом зміни  вхідного сигналу U_BX, то за тим самим законом будуть змінюватися всі струми транзистора, а отже, і напруга на опорі R_C навантаження.

Таким чином, зміна струму вхідного кола викликає відповідну зміну струму у вихідному колі (див. ()). Оскільки емітерний р-п-перехід ввімкнений у прямому напрямі, а колекторний — у зворотному, вхідна напруга впливає на колекторний струм значно сильніше, ніж вихідна. На цій властивості і грунтується підсилювальна дія транзистора. Змінні складові струмів і напруг зв'язані такими співвідношеннями:

де R_ВХ — вхідний опір транзистора.

Хоча коефіцієнт передачі струму h_21B менший за одиницю, коефіцієнти підсилення за напругою К_nU за потужністю К_nP можуть досягати великих значень. Справа в тому, що при прямому ввімкненні емітерного переходу вхідний опір транзистора змінному струму становить десятки ом, а опір колекторного переходу при зворотному ввімкненні досягає сотень кілоом. Тому вмикання у вихідне коло опору R_C у кілька десятків кілоом не змінює порядку загального опору колекторного кола. При цьому R_C>>R_BX . Тоді коефіцієнт підсилення за напругою

і коефіцієнт підсилення за потужністю

Принцип роботи транзистора п-р-n-типу  і   транзистора р-п-n-типу відрізняється тим, що напруги, прикладені до першого для його нормального вмикання, мають протилежну полярність і неосновними носіями зарядів в базі є вільні електрони. Теоретичний аналіз та аналітичні вирази ( )—( ) аналогічні для обох типів транзисторів.

Статичний режим  роботи біполярних транзисторів. Як елемент електричного кола транзистор використовують звичайно таким чином, що один з його електродів є вхідним, а другий — вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу і виходу. В коло вхідного електрода вмикають джерело вхідного сигналу, а в коло вихідного — опір навантаження. В залежності від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми вмикання транзисторів: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером (ЗЕ) і загальним колектором (ЗК) (рис.). При цьому кожна схема характеризується двома сім'ями статичних. характеристик, які визначають співвідношення між струмами в колах електродів транзисторів і напругами, що прикладені до цих електродів. Такими характеристиками є:

вхідні  І_ВХ=j(U_BX)_{U(BИX)=const}   та вихідні    І_ВИХ=j(U_BИX)_І(BX)=const .

Схема ЗБ, загальним електродом якої для вхідного і вихідного  кіл є база транзистора (рис.), використовується для підсилення напруги і потужності. Однак ця схема не підсилює струму, оскільки вхідним струмом є струм емітера І_Е , А вихідним — струм колектора І_С і згідно з виразом ( ) І_С=І_Е-І_В<I_E . зв'язок між вхідним і вихідним струмами визначається рівнянням ( ).

При розімкнутому колі емітера (I_E = 0) в колі колектор-база протікає тепловий некерований струм колекторного р-n-переходу, зміщеного в зворотному напрямі. Його називають зворотним струмом колектора I_C0 Тому повний вираз для струму колектора з урахуванням рівняння ( ) має вигляд

У схемі ЗЕ, яка застосовується найбільш часто, вхідним є струм  бази, вихідним — струм колектора, а емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного кіл транзистора (рис.). Як і для схеми ЗБ, коефіцієнт передачі струму в схемі ЗЕ (коефіцієнт передачі струму бази) визначається відношенням вихідного струму до вхідного:

Підставивши в формулу ( ) значення струму бази I_B=I_E-I_C і розділивши чисельник та знаменник на I_E , одержимо

При зміні h_21B від 0,95 до 0,99 коефіцієнт h_21E змінюється в межах 20-100. Отже, схема ЗЕ дає значне підсилення за струмом. Оскільки ця схема дає також підсилення напруги, то підсилення потужності даної схеми значно більше, ніж у схемі ЗБ.