Лекция 19 Полупроводниковые элементы

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