Лекция 19 Полупроводниковые элементы
реклама
Лекция 19 Полупроводниковые элементы Транзисторы Транзисторы – это П/П приборы с электронно-дырочными переходами, предназначенные для усиления и генерирования электрических сигналов и имеющие три или более выводов. Биполярные транзисторы • Используются в различных схемах усилителей в качестве приборов, управляющих мощностью внутри усилителя. • Выполняются с двумя р-n переходами и тремя выводами. Основные показатели усилителей: • Коэффициент усиления по напряжению U K U вых U вх • Коэффициент усиления по току I K I вых I вх • Коэффициент усиления по мощности P K P вых Pвх KU KI • Биполярный транзистор можно условно рассматривать как соединение двух полупроводниковых диодов Биполярный германиевый транзистор In In Ge p n p Коллектор Эмиттер База Условное графическое обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n Э К Б p-n-p Э К Б n-p-n • Cредняя область транзистора, расположенная между p-n переходами, называют базой (Б).База моделируется тремя сопротивлениями с ключами. • Две других области выполняют не одинаково. • Одну область делают так, чтобы из нее наиболее эффективно проходила инжекция носителей заряда в базу называется (Э)- эмиттером. • Другую – чтобы эффективно проходила экстракция носителей заряда из базы Называется (К) – коллектором. Работа биполярного транзистора ЕП1 р n ЕП2 р К Э IЭ ЕЭ Б ЕК RН IK ЕЭ – э.д.с. источника входного сигнала, подключенного так, чтобы эмиттерный переход (ЭП) был открыт. ЕК – э.д.с. источника выходного сигнала, который подключен так, чтобы закрыть коллекторный переход (КП). По закону Кирхгофа IЭ =IК + IБ Основные процессы (работа ключа) • При отсутствии тока во входной цепи – транзистор закрыт и нет тока в выходной цепи (обратным током можно пренебречь) • Включение источника ЕЭ, обеспечивает ток IЭ, и дырки из области р будут инжектироваться в область базы, где они являются не основными носителями заряда. Те из них, которые разгоняются в поле (при условии тонкого слоя базы), будут переброшены через КП во 2ой слой р и появится ток IК , который потечет по сопротивлению RH. Основные процессы в р-n-р переходе ЭП р Э IЭ КП р n К + + + + + + + инжекция экстракция + + + + + + + + + + + + - - - Рекомбинация UПР + - IБ IК RH Генерация пар носителей UОБ + - Отношение тока коллектора и эмиттера называется коэффициентом передачи IK 0.95 0.99 IЭ Это соотношение стремятся увеличивать, поэтому область базы делают как можно тоньше, а площадь КП делают больше площади ЭП. На схеме показаны два не основных процесса: • генерация пар носителей заряда в области коллектора, вызывающий небольшой обратный ток. • движение электронов из Б→Э в результате снижения потенциального барьера при прямом напряжении на ЭП Принцип действия транзистора n-p-n аналогичен, но носителями заряда будут электроны, полярность ЕЭ и ЕК должна быть изменена на противоположную, соответственно изменяются направления токов в цепях. Включение биполярного транзистора в цепь может осуществляться по схеме: • с общей базой (ОБ)- усиление по напряжению и мощности; • с общим эмиттером (ОЭ) – усиление по ток, напряжению и мощности; • с общим коллектором (ОК) – усиление по току и мощности. Схема с общей базой (ОБ) p-n-p Э IЭ E1 IБ Б К IK RH E2 1. Коэффициент передачи по току IK 0.95 0.99 IЭ UВЫХ 2.Входное сопротивление RВХБ Е1 IЭ Мало, определяется сопротивлением ЭП в прямом направлении 3. Коэффициент передачи по напряжению КUБ I K RH I K RH RH E1 I Э RВХБ RВХБ 4. Коэффициент передачи по мощности Может быть большим К РБ КUБ Схема с общим эмиттером (ОЭ) p-n-p Б IБ E1 К Э I Э IK RH UВЫХ Е1 – включен в прямом направлении к ЭП E2 Е2 – в обратном к КП и в прямом к ЭП 1.Коэффициент передачи по току IK IK IБ IЭ I K IЭ IK IЭ IЭ I K IЭ 1 IK – выходной ток, IБ – входной ток, β >> 1 2.Входное сопротивление RВХЭ E1 Е1 IБ IЭ I K IЭ RВХЭ >> RВХБ E1 IЭ IЭ IK IЭ RВХБ 1 3. Коэффициент передачи по напряжению I K RH I K RH RH RH КUЭ E1 I Б RВХЭ 1 RВХЭ RВХБ КUЭ = КUБ 4. Коэффициент передачи по мощности К РЭ КUЭ 2 RH 1 RВХБ КРЭ >> КРБ Схема с общим коллектором (ОК) p-n-p 2 Э 1 Б К R H К Б UВЫХ IБ E1 RH IK Э IЭ E2 Входной ток IБ , выходной ток IЭ Сопротивление нагрузки RH включено в эмиттерную цепь. Такое включение называется инверсным. В схеме 1 коллекторный переход открыт а эмиттерный – закрыт. Для повышения площадь КП делают больше, чем площадь ЭП. Поэтому Н.Н.З. не попадают в эмитторную зону, рекомбенируя в области базы. Поэтому в схеме с ОК коллектор и эмиттер меняют местами, оставляя RН в цепи эмиттора (схема 2) 1. Коэффициент передачи по току IЭ IЭ 1 IБ IЭ IK 1 2. Входное сопротивление RВХК Е1 I Э RH Е1 I Э RH RВХБ RH IБ IЭ IK 1 RВХК – наибольшее из всех рассматриваемых схем RВХК> RВХЭ>> RВХБ 3. Коэффициент передачи по напряжению KUK I Э RH I Э RH RH RH I Б RВХК I Э I K RВХК 1 RВХК RВХБ RH RВХБ – величина маленькая, ею можно пренебречь, тогда КUK≈ 1 т.е.усиления по напряжению нет. 4. Коэффициент передачи по мощности K PK KUK RH 1 1 RВХБ RH 1 Эту схему называют эмиттерным повторителем • нагрузка включена в цепь эмиттера. • выходное напряжение полностью повторяет входное и по величине, и по форме. Транзистор как линейный четырехполюсник I2 • U1 • I1 • I1и U1- входные параметры U2 • I2 и U2 – выходные параметры Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник с произвольной внутренней структурой. На входе этой системы осуществляется режим ХХ, а на выходе – режим КЗ I1 и U2 - независимые переменные I2 и U1 – зависимые переменные Система уравнений U1 = h11I1 + h12 U2 I2 = h21I1 + h22U2 Сочетание двух цифр у параметра h означают 1 – входную цепь, 2 – выходную цепь Физический смысл h- параметров h11 – входное сопротивление транзистора При U2 = 0 (КЗ на выходе), то h11 = U1 / I1 [ Ом] h12 – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению При I1 = 0 (ХХ на входе), то h12 = U1 / U2 h21 – коэффициент передачи по току При U2 = 0 (КЗ на входе), то h21 = I2 / I1 h22 – входная проводимость транзистора При I1 = 0 (ХХ на входе), то h22 = I2 / U2 RВых = 1/h22 [1/Ом] Для расчета и анализа устройств с БТ используют ВАХ: • Входные Iб=f(Uбэ), снимаемые при Uкэ=const; • Выходные Iк=f(Uкэ) при Iб=const; • h-параметры. Эквивалентная схема транзистора • I1 U1 • h11 I2 h12 U2 h21 I1 1 / h22 • U2 • h12U2 – генератор напряжений во входной цепи, учитывающий взаимосвязь между КП и ЭП при модуляции Б h21I1 – генератор тока в выходной цепи, учитывающий усилительные свойства транзистора, когда под действием тока I1 в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h21I1 h11 и h22 – входное сопротивление и выходная проводимость Характеристики биполярного транзистора Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. IВХ=f(UВХ) при UВЫХ= const ; IВЫХ=f(UВЫХ) при IВХ=const UВХ=f(UВЫХ) при IВХ=const ; IВЫХ=f(IВХ) при UВЫХ=const Характеристика обратной связи по напряжению Характеристика обратной связи по току Для различных схем включения транзистора h-параметры будут различными. Схема с общей базой Э IЭ UЭБ h11Б U ЭБ I Э h21Б I K I Э К IK Б UКБ Т.К. ТРАНЗИСТОР УСИЛИВАЕТ СИГНАЛ в основном ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ТО h- параметр определяют как динамический При UКБ=const h12 Б U ЭБ U K Б I K При UКБ=const h22 U КБ При IЭ=const При IЭ=const Схема с общим эмиттером Б К IБ UБЭ IK h11Э Э UКЭ U БЭ I Б h12 Э h21Э I K I Б I K h22 U КЭ U БЭ U КЭ При UКБ = const При IБ = const При UКБ = const При IБ = const h – параметры можно определить графически, используя семейство входных и выходных характеристик транзистора (схема с ОЭ) Iк IБ UK0 UKi UKn IБ5 IБ4 IБ3 IБ2 IБ1 IБ=0 UБЭ Входная характеристика UкЭ Выходная характеристика Каскад усиления на транзисторе по схеме ОЭ IK Iк RK IБ UВХ К Б Э ЕК IБ5 IБ4 IKM IБ3 2 I IЭ IБ2 IБ1 1 IK0 IБ=0 EK UКЭ UK0 URK UкЭ • При изменении UВХ будет изменяться ток базы, ток коллектора изменяется пропорционально IK = βIБ. Изменение IK можно определить по выходным хар-кам. • На оси UКЭ откладываем ЕК –напряжение источника питания коллекторной цепи. • На оси IК откладываем величину максимально возможного тока в цепи источника IKM = EK/RK • Прямая линия между этими точками называется ЛИНИЕЙ НАГРУЗКИ и описывается уравнением IK= (EK-UКЭ)/ RK где RK – сопротивление коллекторного перехода RK =EK/IKM =tgα • Рабочая точка транзистора может перемещается по линии нагрузки от т.1 к т.2, пересекая выходные характеристики, определяя IK и UКЭ транзистора. • Зона, расположенная между осью UКЭ и IБ называется зоной отсечки (оба перехода КП и ЭП смещены в обратном направлении). Транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа. • Зона между осью IK и крутовозрастающим участком выходной характеристики называется зоной насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении). Транзистор можно представить в виде замкнутого ключа. •Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления и называется активной областью (ЭП смещен в прямом направлении, КП – в обратом. Тиристоры и динисторы Тиристоры применяют для: • управления значительными мощностями в промышленности и транспорте; • управляемого выпрямления переменного тока в переменный, но другой частоты; • управляемого преобразования постоянного тока в переменный; • преобразования постоянного тока в постоянный, но другого напряжения. Динисторы (не управляемые тиристоры) 1 А + Р1 + - + n1 • I UП A 0 К - • Обозначение B IУД 2 3 + - - + Р2 n2 UПР D В-А характеристика U На границах раздела этих областей возникают p-n переходы:1, 2 и 3. От 1 области р и от 3 области n имеются электрические выводы (А –анод) и (Ккатод). При подключении напряжения как указано на схеме 1ый и 3ий p-n переходы смещены в прямом направлении (открыты), а 2ой p-n переход смещен в обратном направлении (закрыт). Все напряжение приложено к 2ому переходу и при увеличении U между А и К происходит ускорение носителей зарядов, которые частично рекомбинируют, проходя через потенциальный барьер. Их нескомпенсированная часть вызывает вторичную встречную инжекцию носителей заряда – эти явления создают условия для развития лавинных процессов. Однако, лавинный процесс начнется только при достаточно большом внешним напряжении (т.А) Далее динистор перейдет из т. А вольтамперной характеристики на участок ВС и ток резко возрастет, а напряжение на переходе 2 сильно упадет, за счет обилия зарядов в нем. Если ток во внешней цепи сильно уменьшить (до IУД ток удержания), то динистор закроется, т.е. перейдет на участок ОА. Если подать напряжение обратной полярности, то в-а характеристика будет такая же как у диода (ОД) Тиристор с управляющим электродом 1 А + 2 - + Р1 n1 R UП А + Р2 3 - + К n2 IУП + - - А УЭ К УЭ К Эквивалентная схема из двух транзисторов При подключении другого источника напряжения на управляющий электрод появится ток управления. При определенной его величине может появится ток через весь прибор, нарастающий лавинообразно и ограничиваемый только сопротивлением R. Это включение тиристора. В этом положении тиристор себя поддерживает в открытом состоянии. Для выключения тиристора необходимо прервать ток во внешней цепи хотя бы на короткий срок, чтобы рассосались не основные носители заряда в зонах и восстановления управляющих свойств. Чтобы снова включить тиристор необходимо снова пропустить ток в его цепи управления. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который работает только в двух состояниях: либо включенном, либо в выключенном. IУ3 > IУ2 > IУ1 > IУ0 I IВЫК IУ3 IУ2 IУ1 IУ0 Семейство вольтамперных характеристик управляемого тиристора при различных токах в цепях управления U UВК
