Слайд 4ГОУ ВПО «СибГУТИ»
УрТИСИ
Кафедра
общепрофессиональных дисциплин
Направление подготовки
210300 – «Радиотехника»
210400 – «Телекоммуникации»
Екатеринбург
2010
Слайд 6Курс подготовил
Паутов Валентин Иванович
Доцент, кандидат технических наук,
доцент кафедры
общепрофессиональных дисциплин.
Лекции
читает
Паутов Валентин Иванович
Электроника
Дисциплина учебного плана
Слайд 7Область науки и техники, занимающаяся разработкой, созданием электронных приборов и
устройств, которые используются для передачи, обработки и хранения информации
Электроника
Слайд 8Лекция 1
Введение
Курс базируется на физико-математической подготовке, получаемой при изучении дисциплин
Физические основы электроники.
- Физика.
- Математика.
- Основы теории цепей.
Естественным
продолжением курса
Электроника является курс
Основы схемотехники.
Электроника
Слайд 9Цель обучения
Научить:
− Осуществлять синтез электронных устройств с применением современных
интерактивных программ Multisim и MathLab;
− Проводить расчёты электрических режимов
элементов электронных схем;
− Формулировать технические требования к разработке электронных устройств.
Электроника
7
Слайд 10В результате изучения дисциплины студенты должны:
Знать:
− физические процессы, протекающие
в электронных приборах, их устройство, характеристики и параметры;
Уметь:
−
применять полупроводниковые приборы в аппаратуре связи, радиовещания и телевидения;
Владеть:
− навыками экспериментального исследования характеристик и измерения параметров приборов.
Слайд 11Электроника
Методическое обеспечение курса
Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования для
направления «Телекоммуникации».
Рабочая программа курса Электроника, утвержденная методическим советом
ГОУ ВПО
«СибГУТИ» УрТИСИ 2010 г.
Слайд 12 Литература
Миловзоров О.В., Электроника: Учебник для вузов. /О.В.
Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
2. Лачин В.И., Савелов
Н.С. Электроника: Учеб. пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000 г.
3. Тырышкин И.С. Физические основы полупроводниковой электроники. М.: Высшая шк. 2000.
Слайд 134. Бобриков Л.З. Электроника. – СПб.: Питер, 2004.
5. Гусев В.Г.,
Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Выс. школа,
2005.
6. Беспалов В.В., Логинов В.В. Физические основы электроники: Конспект лекций. Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»2006.
7. Матвиенко В.А. Характеристики и параметры полупроводниковых приборов. Лабораторный практикум. Учеб.пособие. Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»2006.
Слайд 14Виды учебной работы
Курс завершается экзаменом.
Слайд 15Виды учебной работы для групп ВЕ-
Курс завершается экзаменом.
Слайд 18Виды учебной работы для групп ВЕ-
Слайд 19Виды учебной работы для групп ВЕ-
Слайд 20Место дисциплины Электроника в учебном плане
17
Физические основы электроники
Физика
Химия радиоматериалов
Основы
теории цепей
Основы схемотехники
Электропитание
устройств и систем
Курсы специальности
Электроника
Слайд 211 Основные сведения о проводимости полупроводников
Физические принципы работы полупроводниковых приборов основаны на явлениях электропроводности в
твёрдых телах.
По способности проводить электрический ток все вещества делятся на три класса:
Проводники
Диэлектрики
Полупроводники
Тема 1.
Физические основы электроники
18
Слайд 22В проводниках валентная и свободная зоны перекрываются, поэтому электроны свободно
переходят из зоны в зону и становятся свободными носителями электрического
тока.
Проводники
19
Диэлектрик
Слайд 23 Диэлектрики
В диэлектриках валентная и свободная зоны разделены запрещенной зоной
значительной ширины, поэтому электроны не могут переходить из
зоны в зону.
Свободные носители электрического тока в диэлектриках отсутствуют.
20
εз
Валентная
зона
Свободная
зона
Слайд 2420
Валентная
зона
Свободная
зона
К полупроводникам обычно относят
вещества, удельная электропроводность которых при температуре 20ºС составляет
Полупроводники
Валентная
зона
Свободная
зона
εз
Слайд 25
По ширине запрещенной зоны полупроводники занимают
промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.
Полупроводники
22
Для полупроводниковых материалов, которые наиболее
часто используются в электронике, ширина запрещенной зоны составляет:
для германия – 0,7эВ,
для кремния – 1,1эВ,
для арсенида галлия – 1,4 эВ.
Для сравнения εз для диэлектриков составляет до 5 эВ.
Слайд 26
Характерными особенностями полупроводниковых материалов являются резко выраженная
зависимость электропроводности от:
Изменения температуры;
Количества и природы введённых примесей;
Наличия электрического поля;
Светового воздействия;
Ионизирующего излучения и др.
23
Слайд 271.2 Электропроводность полупроводников
1.2.1 Собственная электропроводность
24
Валентная
зона
Свободная
зона
εз
Электропроводность вещества и полупроводника
в т.ч. возможна в том случае, если электрон в валентной
зоне получит дополнительную энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и попадает в свободную зону.
Слайд 28Собственная электропроводность
Электроны, находящиеся в свободной зоне, обладают довольно
большой энергией и могут её изменять под действием электрического поля,
перемещаясь в объёме полупроводника.
Этими электронами и определяется электропроводность полупроводника.
25
Слайд 29 Энергетические уровни валентной зоны обычно заполнены электронами
внешней оболочки атомов – внешних устойчивых орбит (валентными электронами).
При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны могут изменять свою энергию под воздействием электрического поля.
Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не могут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.
26
Слайд 30Плоская модель кристаллической решётки
Связь атомов в кремнии устанавливается
вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных
электронов.
27
Слайд 31
Таким образом получается, что любой атом кремния связан
с каждым соседним атомом общей орбитой, причём на этой орбите
два электрона. Такая связь атомов называется ковалентной связью.
Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для
связи с четырьмя соседними атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырёх соседних атомов.
28
Слайд 32Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в
валентной зоне.
Электроны во всех связях будут присутствовать
только при температуре абсолютного нуля.
Полупроводник при такой температуре является изолятором.
29
Слайд 33 По мере повышения температуры полупроводника некоторые валентные
электроны получают дополнительную энергию достаточную для перехода в зону проводимости.
Такой
переход соответствует выходу электрона из связи.
30
Слайд 3431
Вакантный энергетический уровень
+
-
Свободная
зона
+
Появление электрона в свободной зоне и наведенного
вакантного места в валентной зоне на энергетической диаграмме представлено в
виде кружков с соответствующими знаками заряда.
Слайд 35 Появление свободных уровней в валентной зоне позволяет
для валентных электронов изменять свою энергию, а следовательно, участвовать в
процессе протекания тока через полупроводник.
С повышением температуры возникает все большее число свободных электронов в зоне проводимости и вакантных уровней в валентной зоне.
32
Слайд 36 Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и
соответственно свободную валентную связь называют дыркой,
которая является подвижным носителем
положительного заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона.
Перемещение дырки соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь).
Движение дырки – это поочерёдная ионизация валентных связей.
33
Слайд 37 Процесс образования свободного электрона и дырки принято называть
генерацией.
Основным источником дополнительной энергии для электрона является температура.
Могут быть и другие источники –
световое и ионизирующее излучения.
34
Слайд 38 Таким образом, за счёт термогенерации в полупроводнике образуется
два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны n-
и дырки
p-, причём их количество одинаковое
Nn = Np.
Эти носители заряда называют собственными,
а электропроводность, ими обусловленную, - собственной электропроводностью полупроводника.
Электроны и дырки собственной электропроводности, принято обозначать буквой i
ni = pi.
35
Слайд 39 Такой полупроводник называют беспримесным.
Он используется
для создания высокоомных изоляционных слоев в полупроводниковых структурах.
Сильная зависимость электропроводности таких структур от температуры используется при создании термозависимых сопротивлений - термисторов.
36
t0
Rt
Слайд 401.2.2 Примесная электропроводность
полупроводников
37
Если в полупроводник ввести примеси,
то к собственной электропроводности добавляется электропроводность примеси.
Слайд 41При введении в кристаллическую структуру 4-х валентного кремния атома пятивалентного
элемента (например фосфора), четыре из пяти валентных электронов вступят в
связь с четырьмя соседними атомами кремния.
Донорный полупроводник
38
Донорная примесь
Пятый электрон примесного атома будет в данном случае избыточным.
Он окажется очень слабо связанным со своим атомом.
Si
Si
Si
Si
P
−
Слайд 42Поэтому даже при воздействии малой дополнительной энергии электрон покидает атом
и становится свободным носителем заряда.
Таким образом, введение
в структуру кремния атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона. Причем его образование не связано с существованием дырки.
39
Слайд 43 Такие примесные полупроводники называются электронными или полупроводниками
n-типа.
Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными
носителями заряда.
Дырок здесь очень мало, они образуются за счет термогенерации собственных носителей.
В результате оказывается, что количество свободных электронов практически равно количеству ионизированных доноров.
40
Слайд 44Донорный полупроводник
41
Число атомов примеси должно быть существенно меньше
числа атомов основного полупроводника.
Количество атомов составляет N = 1022
. Количество атомов примеси NA,NД ≈ 1013÷1015 , т.е. один атом примеси приходится на 108 атомов основного полупроводника.
Слайд 45Акцепторный полупроводник
При введении в кристаллическую структуру 4-х
валентного кремния атомов трёхвалентной примеси (например, индий), только три
валентных электрона вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния.
Четвёртая связь оказывается незаполненной и она не несёт заряда, т.е. атом примеси является электрически нейтральным.
42
Слайд 46При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон кремния может перейти
в эту связь.
На внешней оболочке акцептора появляется лишний электрон,
т.е. он превращается в отрицательный ион.
Вакантная связь атома кремния несёт собой уже положительный заряд, являясь дыркой.
43
Слайд 47Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые являются здесь основными носителями
заряда и их очень много.
Таким образом,
за счёт введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками.
Такую структуру называют дырочный полупроводник, или полупроводник p – типа.
44
Слайд 48Введение примесей в полупроводник приводит к образованию дополнительных энергетических уровней
в запрещённой зоне
45
-
Свободная
зона
-
-
ЕА
Валентная
зона
-
-
ЕД
Е
Е
ЕF
Слайд 4946
Движение носителей заряда в полупроводниках обусловлено двумя физическими
процессами:
диффузией и дрейфом.
Если в полупроводнике носители заряда,
электроны и дырки, распределены равномерно, то их концентрацию в этом случае называют равновесной.
1.2.3 Причины движения носителей заряда
Слайд 5047
- градиенты концентраций,
- коэффициенты диффузии.
Если под влиянием
внешних факторов нарушается равномерность концентрации, то происходит диффузия – выравнивание
концентраций – возникает ток диффузии
Слайд 5148
Направленное перемещение носителей заряда под действием электрического
поля Е называется дрейфом.
Если имеются носители заряда и
электрическое поле Е, то возникает электрический ток.
+Е
- Е
+
-
Слайд 5248
Электропроводность полупроводника отражена в уравнении непрерывности
Р-
NР >> Nn
n-
Слайд 53 Основным параметром полупроводникового материала является подвижность носителей заряда
μ. (читается мю).
1.2.4 Параметры полупроводниковых
материалов
49
Слайд 54Подвижность электронов μn выше подвижности дырок μp
μn > μp.
Наибольшая подвижность наблюдается у электронов в
арсениде галлия GaAs.
Чем больше скорость движения носителей тем выше быстродействие полупроводникового прибора.
50
Слайд 55
Важным параметром полупроводника является время жизни носителей
τ (читается тау).
Временем жизни носителя заряда называется время
от его появления в результате генерации до его исчезновения в результате рекомбинации.
51
Слайд 56 Подвижность носителей заряда связана с коэффициентом диффузии D
следующим соотношением:
D = φт μ,
где φт =kТ/q – температурный потенциал;
k – постоянная Больцмана;
q – заряд электрона.
φт при температуре 200С приближённо равен
φт ≈ 26 мВ.
Коэффициенты диффузии, так же как и подвижности, имеют разные значения для электронов и дырок,
причём Dn > Dp.
52
Слайд 57 Введение примесей (присадок) в металл
(в полупроводниковый материал)
с целью изменения каких-либо его свойств,
называется легированием.
В полупроводниковой технологии используется диффузионное легирование,
ионное легирование.
53
Слайд 58 Вопросы тестирования
1. К полупроводниковым материалам относятся элементы таблицы
Менделеева:
2. К полупроводниковым материалам относятся элементы:
3.На внешней электронной орбите у
полупроводниковых материалов находится электронов:
4.Собственная электропроводность обусловлена воздействием на полупроводник:
5.В собственном полупроводнике число носителей находится в соотношении:
54
Слайд 59 Вопросы тестирования
6. В какой энергетической зоне энергия электрона
наибольшая?
7. Энергетические уровни доноров (электронов) находятся:
8. Энергетические уровни акцепторов (дырок)
находятся:
9. Причина дрейфового тока полупроводников:
10. Причина диффузионного тока полупроводников:
54
Слайд 60 Вопросы тестирования
11.Уравнение непрерывности показывает:
12. В какой энергетической зоне
находится уровень Ферми в проводниках:
13. Куда смещается уровень Ферми в
собственном полупроводнике при повышении температуры:
14. Куда смещается уровень Ферми при введении в полупроводник примести электронного типа:
15. Куда смещается уровень Ферми при введении в полупроводник примеси дырочного типа:
55
Слайд 622.1 Электронно – дырочный переход
(p-n-переход)
Работа большинства полупроводниковых
приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между областями полупроводников
с двумя и более участками (слоями) с различным типом электропроводности.
Тема 2. Полупроводниковые диоды
62
Слайд 63 Граница между двумя областями монокристалла полупроводника,
одна из которых имеет электропроводность
р-типа, другая – n-типа,
называется электронно-дырочным переходом
(р-n-переходом).
р-n-переход
63
Слайд 64
р-n-переход
-
-
-
-
+
+
р-
n-
64
Полупроводник р-типа
Полупроводник n-типа
Слайд 65 Считаем, что граница раздела монокристаллов плоская,
место соединения является идеальным,
внешнее электрическое поле отсутствует.
В таких структурах обычно концентрация примесей существенно различна Nа >> ND
или Nа << ND.
Концентрация основных носителей значительно больше концентрации неосновных.
65
Слайд 66 Следовательно, в данной полупроводниковой
структуре имеется неравномерность концентрации подвижных носителей заряда каждого знака.
65
Слайд 67 В полупроводнике р-типа присутствуют в равном количестве подвижные
дырки заряженные положительно и неподвижные отрицательные ионы
В полупроводнике n-типа также имеются подвижные электроны с отрицательным зарядом и неподвижные ионы
-
-
-
-
+
+
n
-
66
Оставить свободное место
Слайд 68 Под действием разности концентраций электроны из n-области будут
перемещаться в
p-область,
а дырки из р-области – в n-область.
Встречаясь на границе p- и n-областей, часть дырок и электронов рекомбинируют.
Процессы в p-n-переходе
67
-
-
-
-
+
+
n
-
Слайд 69 В результате в пограничной области образуются
нескомпенсированные заряды неподвижных ионов.
Эта область и есть область p-n-перехода.
Ее называют также обеднённым слоем или
i -областью.
67
Слайд 70 Пришедшие в n-слой дырки зарядили его положительным
зарядом. В р-слое образовался слой отрицательного заряда.
Эти
слои разделены обедненной зарядами
i -областью.
67
Слайд 71 Этот двойной электрический слой создаёт электрическое поле с
напряжённостью Е0 и приводит к появлению внутри полупроводника потенциального барьера
высотой φ0.
58
-
-
-
-
+
+
n
-
l
0
φ0
+
−
Область
p-n-перехода
Слайд 72 Это поле вызывает направленное движение носителей заряда через
переход – дрейфовый ток, направленный навстречу диффузному току
Появление диффузного тока
приводит к увеличению потенциала φ0.
58
Iдр = IДРр + IДРn
В конце концов эти токи сравняются
IДР = IДИФ
Слайд 7359
-
-
-
-
+
+
n
-
+
-
Наступит равновесное состояние и результирующий ток окажется равным нулю.
Слайд 74 Слой p-n-перехода в целом должен содержать равное число
положительных и отрицательных зарядов, т.е. отрицательный заряд левой части должен
быть равен положительному заряду правой части.
Поскольку принято, что NР >> Nn,
то протяжённость областей расположения зарядов оказывается разной:
меньшую часть i-области занимают дырки,
а большую –электроны.
61
Слайд 75Таким образом, большая часть обеднённой области сосредотачивается в слаболегированном (высокоомном)
слое.
61
-
-
-
-
+
+
n
-
+
-
слаболегированный слой
l0
Протяженность p-n-перехода оценивают параметром l0
Слайд 76 Основным параметром p-n-перехода является высота потенциального барьера
(контактная разность потенциалов) φ0,
которую выражают в вольтах (В).
φ0 зависит от ширины запрещённой зоны исходного полупроводника, чем больше εз ,
тем больше φ0.
Для p-n-переходов
на основе германия Ge φ0 = 0,35 В,
а на основе кремния Si φ0 = 0,7 В.
61
Слайд 772.2 Подключение внешнего источника напряжения к p-n-переходу
Подключим к
p-n-переходу внешнее напряжение U плюсом (+) к p-, а (-)
к n-слою.
Внешнее напряжение окажется приложенным в основном к p-n-переходу как к участку с наибольшим сопротивлением.
Прямое включение p-n-перехода
62
RP
Rp-n
Rn
Rp-n>>
Rn
+U
−U
P-
n-
Слайд 7878
U
-
+
+
-
p-
-
n-
E
0
+
+
+
+
φ0
U
Напряжение U оказалось включенным встречно с внутренним электрическим
полем Е0.
В результате высота потенциального барьера снижается
на величину внешнего напряжения U.
φ
φ
Слайд 79 Количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления
потенциального барьера, увеличивается.
Увеличивается диффузионная составляющая тока Iдиф через
p-n-переход.
79
В каждой области появляются дополнительные избыточные концентрации неосновных для данной области носителей.
При этом нарушается условие
равновесного состояния.
Слайд 80 Учитывая, что концентрации неосновных много меньше концентрации
основных носителей, можно отметить, что величина дрейфового тока Iдр этих
носителей от приложенного напряжения зависит очень слабо.
Таким образом, результирующий ток через
p-n-переход
80
Носители собственной электропроводности также начнут встречное движение, образуя дрейфовый ток.
Слайд 81 Нарушенное условие равновесного состояния р-n-структуры должно быть восстановлено
за счет источника внешнего напряжения.
Ушедшие из р-слоя дырки восполняются
положительными зарядами источника U, ушедшие электроны – электронами источника U.
В результате появляется ток во внешних выводах р-n-структуры.
81
U
-
+
Iпр
+
-
p-
-
E
0
+
+
+
+
Слайд 82 Этот ток далее будем называть
прямым током IПР.
Внешнее напряжение при таком включении
– прямым напряжением Uпр.
Считается, что р-n-структура включена согласно.
Высота потенциального барьера φ0 составляет доли вольта (на основе кремния φ0 = 0,7 В).
Поэтому достаточно приложить напряжение Uпр доли вольта, чтобы p-n-переход начал открываться т.е. потек прямой ток.
82
Слайд 83 Уменьшение результирующего поля в
p-n-переходе приводит к
уменьшению объёмного заряда и уменьшению длины запирающего слоя l0.
83
n
-
l
0
+
-
+UПР
-UПР
Слайд 84 Процесс внедрения носителей заряда в какую-либо область полупроводника,
для которой они являются неосновными, называется
инжекцией.
Он характеризуется коэффициентом
инжекции
где Ip и In – токи инжекции дырок и электронов соответственно.
В большинстве случаев Ip >> In и
γ ≈ 1.
84
Слайд 852.3 Включение p-n-перехода в обратном
направлении
Включим внешнее напряжение
U (+) к
n-области. При этом высота потенциального барьера
повышается на величину
напряжения U
что приведёт к уменьшению диффузионной составляющей тока через p-n-переход
U
-
+
I
обр
+
-
p
+
n-
E
0
φ0
U
85
+
−
Слайд 86Поле p-n-перехода втягивает все подошедшие к нему неосновные носители независимо
от высоты потенциального барьера.
Uобр
-
+
I
обр
+
-
p
+
n-
E
0
86
Через переход потечёт ток неосновных
носителей.
Ток дырок из n-области в p-слой
и электронов из p-слоя в n-слой.
Слайд 87 Ток неосновных носителей через p-n-переход называется обратным.
Внешнее напряжение при таком подключении далее будем называть
обратным и обозначать Uобр.
Используется также термин
«обратное смещение p-n-перехода».
Обратный ток называют ещё тепловым током IT, т.к. его величина очень сильно зависит от температуры p-n-перехода.
87
Слайд 88 В связи с тем, что прямой ток
много больше обратного тока
Iпр >> Iобр можно говорить об
однонаправленной проводимости
p-n-перехода.
88
Слайд 89 При обратном включении суммарная напряжённость электрического поля в
p-n-переходе возрастает.
Поэтому возрастает заряд электрического слоя, а также ширина
перехода l0.
Причём возрастает в основном за счёт высокоомного n-слоя.
89
n-
l
0
+
-
-UОБР
+UОБР
Слайд 90 Процесс втягивания неосновных носителей заряда при обратном включении
называется экстракцией.
Далее символом р+- будем обозначать
обогащенный полупроводник, в котором концентрация дырок много больше, чем в полупроводнике р.
По аналогии n−.
90
U Е0
− + − +
(Е0 +U)
Слайд 91Таким образом
Идеализированный p-n-переход обладает свойством изменять электропроводность
при подключении внешнего напряжения разной полярности.
При включении
перехода в прямом направлении (согласно) ток возрастает.
При включении перехода в обратном направлении течёт обратный ток, слабо зависящий от напряжения, но сильно зависящий от температуры.
Поэтому этот ток называют также тепловым IT.
91
Слайд 932.4 Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода (ВАХ)
Зависимость тока через p-n-переход
от приложенного к нему напряжения хорошо описывается экспоненциальной зависимостью
(1)
75
Слайд 94Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода (ВАХ)
(1)
где
- температурный потенциал.
k – постоянная Больцмана,
q –
заряд электрона,
T – температура,
I0 – обратный ток.
При T = 293ºК
= 20ºС
(2)
75
Слайд 95При прямом включении и UПР > 0,1 B
При обратном включении
Uобр > (0,1 ÷ 0,2)B
ВАХ p-n-перехода
76
Слайд 96 Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к
нему напряжения, выраженная в графическом виде, называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
На основании выражения можно построить ВАХ
p-n-перехода
U* - напряжение
отпирания
p-n-перехода
I
пр
Ge
Si
20
C
U
пр
U
*
0,2
0,4
0,6
I
0
I
обр
U
B
обр
о
B
77
1)
Слайд 97Выразим напряжение на р-n-переходе от тока
(3)
78
Слайд 98 Обратное напряжение – сотни вольт,
обратный ток –
единицы-десятки
микроампер.
Таким образом
Свойство односторонней электропроводности
p-n-перехода
отражено в вольт-амперной характеристике.
Прямое падение напряжения составляет доли вольта, (для Si 0.64 ÷ 0.69 В),
прямой ток – десятки-сотни миллиампер.
79
Слайд 992.5 Емкости p-n-перехода
При прямом напряжении из
р-области в n-область инжектируются
носители заряда.
Изменение прямого напря-
жения на p-n-переходе приводит к изменению
концентрации этих
носителей, т.е.
к изменению в нем заряда.
Диффузионная емкость p-n-перехода
С
U
U
пр
обр
Диффузионная
Барьерная
∂
U
∂
Q
=
Cд
д
80
Слайд 100 Это изменение, вызванное приложенным напряжением, можно рассматривать
как действие некоторой ёмкости.
Поскольку носители заряда
попадают в
n-область за счёт диффузии, то эту ёмкость называют диффузионной.
100
Слайд 101Барьерная емкость
Барьерная ёмкость Сб представляет собой изменение заряда в i-области
под действием приложенного напряжения.
С
UОБР
Барьерная
101
n
-
l
0
-UОБР
+UОБР
i-область
Слайд 102Барьерная емкость
Ширина p-n-перехода зависит от Uобр.
При изменении
тока меняется и количество нескомпенсированных ионов в i-области, т.е. меняется
её заряд.
102
Поэтому p-n-переход можно рассматривать как систему из двух проводящих плоскостей, разделённых диэлектриком, т.е. как плоский конденсатор.
Слайд 103Барьерная емкость
103
p-n-переход можно рассматривать как систему из двух проводящих плоскостей,
разделённых диэлектриком, т.е. как плоский конденсатор.
-Uобр
+Uобр
Слайд 1042.6 Пробой p-n-перехода
Пробой p-n-перехода – это явление резкого
увеличения обратного тока I0 при увеличении обратного напряжения Uобр
Пробой
Электрический
Туннельный
Лавинный
Тепловой
104
Слайд 105 Электрические пробои связаны с увеличением напряжённости электрического
поля в р-n- переходе.
Тепловые пробои связаны с увеличением
рассеиваемой мощности и соответственно температуры.
Если не ограничивать ток через p-n-переход, то электрический пробой переходит в тепловой.
Пробой
Электрический
Тепловой
105
Слайд 106В узких p-n-переходах при высокой концентрации примесей возникает туннельный пробой.
При пробое сопротивление
p-n-перехода уменьшается, а ток резко возрастает.
Электрический
Туннельный
U
обр
I
обр
Электрический
Тепловой
106
Слайд 107В относительно широких
p-n-переходах возникает лавинный пробой.
Механизм лавинного пробоя заключается
в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под
действием ударной ионизации.
Электрический
Лавинный
I
U
U
пр
обр
пр
I
обр
Электрический
107
Слайд 108 При лавинном пробое также ток резко возрастает, а сопротивление
p-n-перехода уменьшается.
U
обр
108
Р+
n
p-n-переход
Слайд 1092.7 Влияние температуры на вольт-амперную характеристику p-n-перехода
Процессы в p-n-переходе в
сильной степени зависят от температуры, которая является основным источником энергии
для носителей.
109
Слайд 110 Температурная зависимость прямой ветви ВАХ, согласно (1), определяется
изменениями тока I0 и температурного потенциала φТ.
110
I
UПР
Uобр
пр
Iобр
I
I0
70
20
C
о
∆UПР
пр
При
этом влияние составляющей тока I0 от температуры сильней, чем влияние составляющей φТ .
∆t= (70-20)0C
t
Слайд 111Повышение температуры приводит к сдвигу
прямой ветви вольт-амперной характеристики в
сторону меньших напряжений.
111
Слайд 112 Для обратной ветви ВАХ ток p-n-перехода определяется
концентрацией неосновных носителей.
С повышением температуры их концентрация
увеличивается по экспоненциальному закону.
112
где I0(t) и I0(t0) – обратные токи при рассматриваемой и комнатной температурах;
Δt = (t – t0) – изменение температуры;
α = (0.07 ÷ 0.13) 1/градус.
I0(t) = I0(t0)∙eαΔt
Слайд 1132.8 Контакты и переходы в полупроводниках
Контакты и переходы могут быть
организованы различными средствами и способами.
Электрический переход –
это граничный слой между двумя областями полупроводника, физические свойства которых существенно различны.
p-n-переход – это электронно-дырочный переход;
113
Слайд 114Контакты и переходы в полупроводниках
n-n+-, p-p+ - электронно-электронный переход, который
образуется между областями полупроводника одного типа, но различной концентрации.
Знак
плюс условно обозначает более высокую концентрацию.
114
Слайд 115М-p-, М-n- – переход металл-полупроводник;
М-p+-p-, М-n+-n – переход металл -
обогащённый полупроводник – полупроводник;
115
p-
M
p+-
p-pi-, n-ni- – переход между дырочным
(электронным) и собственным полупроводником;
+ U
Слайд 116- гетеропереходы,
где ε31 и ε32 – материалы с различной
шириной запрещённой зоны.
Российский академик Ж.Алферов за разработки
в области гетеропереходов получил Нобелевскую премию.
Современные сверхбыстродействующие структуры работают именно на этом эффекте.
116
Слайд 117 Полупроводниковый диод –
электронный прибор, имеющий два электрических вывода
и содержит один или несколько p-n-переходов.
Полупроводниковые диоды
117
Диоды
подразделяются на:
- выпрямительные,
- специальные.
ДИОДЫ
выпрямительные
специальные
Слайд 118диоды
118
Выпрямительные диоды предназначены
для преобразования переменного тока.
В зависимости от частоты и формы переменного тока различают:
Выпрямительные диоды
низкочастотные
высокочастотные
импульсные
Слайд 119диоды
119
В специальных диодах используются различные свойства p-n-переходов:
- явление электрического пробоя,
- барьерная емкость,
- фоточувствительность и
др.
Б
IПР
Rр-n
++++
──
rб
Большинство диодов выполнено на основе несимметричных p-n-переходов
NP >> Nn.
Введем терминологию.
Э – эмиттер,
СП- емкость перехода,
Б – база,
rб – объемное сопротивление базы (омическое),
Rp-n – сопротивление
р-n-перехода.
СП
Слайд 121 В реальных p-n-переходах необходимо учитывать сопротивление базы
rб.
С его учетом прямое напряжение на
p-n-переходе будет больше напряжения
на идеализированном p-n-переходе на величину падения напряжения на объемном сопротивлении базы rб.
121
(2)
Слайд 122 При высоком уровне инжекции в реальных
p-n-переходах наблюдается
эффект модуляции сопротивления базы.
Он заключается в уменьшении сопротивления базы из-за увеличения
концентрации неосновных носителей в базе.
122
При больших токах из-за влияния сопротивления rб вольт-амперная характеристика p-n-перехода становится
почти линейной.
Слайд 123123
Теоретическая ВАХ
С учетом rб = const
С учетом эффекта модуляции сопротивления
базы rб
UПР
IПР
0
ΔU = I∙rб
Слайд 1242.9 Выпрямительные диоды
Возможность применения диодов в тех
или иных электрических схемах определяется его вольт-амперной характеристикой – ВАХ
и параметрами.
124
Зависимость тока, протекающего через
диод, от приложенного к нему напряжения,
выраженная в графической форме,
называется
вольт-амперной характеристикой –
ВАХ .
Слайд 125125
Зависимость какого-либо свойства диода, выраженная в числовой
форме, называется
параметром.
U
U
I
R =
I
Oм
•
I = f (U )
Слайд 126126
Зависимость тока Iпр от приложенного напряжения Uпр,
может быть получена на основании соотношения
Обратная ветвь
ВАХ диода строится на основании общего соотношения (1).
(2)
Слайд 127 Выпрямительные диоды характеризуются набором статических и динамических параметров.
Статический параметр – параметр, полученный при заданных неизменных условиях.
Слайд 128
UПР
В
Uобр
IПР
Iобр
I0
t=20 C
o
Uпроб
ВАХ диода
128
В
+ +
+
0.3 0.6 0.9
Iпр
UПР
К статическим
параметрам диодов относятся:
- падение напряжения на диоде UПР при заданном прямом токе диода IПР;
Прямая ветвь ВАХ диода
I = f (U )
Слайд 129
UПР
В
Uобр
IПР
Iобр
I0
129
В
+ + +
0.3
0.6 0.9
Iпр
UПР
- максимальный допустимый прямой ток
IПР.ДОП;
- допустимая мощность рассеяния РДОП;
Iпр.доп
РДОП
Слайд 130130
При протекании по диоду прямого тока и наличии
прямого напряжения на диоде UПР выделяется мощность Р = U∙I
в виде Джоулевого тепла. Если это тепло не успевает рассеиваться с кристалла р-n-перехода,
то он начинает перегреваться.
Мощность РДОП = IПРдоп•UПР
ограничена допустимой температурой кристалла и условиями охлаждения.
Слайд 131
UПР
В
Uобр
IПР
Iобр
I0
t=20 C
o
Uпроб
131
РДОП
обратный ток диода I0;
- обратное допустимое напряжение
UОБР.ДОП;
напряжение пробоя UПРОБ.
В
+ +
+
0.3 0.6 0.9
Iпр
UПР
UОБР.ДОП
UОБР.ДОП
< Uпроб
Слайд 132
UПР
В
Uобр
IПР
Iобр
I0
t=20 C
o
Uпроб
132
RОБР = UОБР/IОБР - сопротивление диода
при
обратном включении
В
+ + +
0.3 0.6 0.9
Iпр
UПР
UОБР.ДОП
UОБР.ДОП
< Uпроб
R0 =
UПР
IПР
- сопротивление диода
постоянному току в заданной точке.
Слайд 133133
Uпр
В
Uобр
IПР
Iобр
∆Iпр
∆Uпр
r =
∆UПР
∆IПР
д
- дифференциальное сопротивление
Рабочая точка
Iпр1
Iпр2
Iпр1
Iпр2-
ΔIпр = (
)
Слайд 134134
Влияние температуры на параметры и характеристики диодов
При изменении
температуры корпуса диода изменяются его параметры. Наиболее сильно зависят от
температуры прямое напряжение на диоде UПР и его обратный ток I0.
Слайд 135135
Влияние температуры
Смещение прямой ветви ВАХ диода при изменении
температуры оценивается коэффициентом напряжения (ТКН)
∆UПР
∆t
ТКН =−
t
Для оценки влияния
температуры можно считать, что
ТКН = - 2 мВ/0С
мВ
0С
Слайд 136
UПР
В
Uобр
IПР
Iобр
I0
t=600С t=20 C
o
Uпроб
136
В
+ +
+
0.3 0.6 0.9
∆t =(60
– 20)0С
t
∆Uпр
∆Uпр
∆t
ТКН = -
t
мВ
0С
Слайд 137137
Обратный ток I0 обусловлен термогенерацией пар носителей
в нейтральных p- и n-областях, прилегающих к обедненному слою.
Эта составляющая
обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.
Для оценки влияния температуры на обратный ток I0 (IT) можно считать, что этот ток увеличивается в 2.5 раза при увеличении температуры на каждые 100С (для Si).
Слайд 138138
Обратная ветвь диодов до напряжения пробоя практически сливается с осью
напряжения для температур 40 – 50 0С для кремниевых структур.
IОБР
UОБР
UПРОБ
I0
Слайд 139Общее обозначение диодов
VD
А К
Iпр
139
+Uпр
-Uпр
p+
n-
b
a
600
a 6
b
5
мм
Iпр
Анод
Катод
Слайд 140 Для экспериментального получения прямой ветви диода и
определения параметров
смоделируем схему измерения
VD
I
Iпр
139
Uпр
V
Изменяя ток источника тока I в заданных пределах, измеряем прямое напряжение на диоде UПР с помощью вольтметра V.
Вольтметр
+
Слайд 141На основании измеренных данных строится прямая ветвь диода
IПР
Iпр (мА)
1 5 10 50 100
250 500 750 1000
141
Uпр
Uпр
(mV) 600 625 640 660 665 670 675 680 685
мА
600 650 700 750 mV
1000
750
500
250
Слайд 142Применение выпрямительных диодов
142
Диоды применяются для преобразования переменного напряжения
в частности синусоидальной формы в постоянное
напряжение.
Слайд 143 Выпрямление переменного напряжения
t
U(t)
IН(t)
Iн.ср
143
U(t)
А
Rн
Uн
~
+
+
-
IН(t)
Слайд 144Разделение разнополярных сигналов
144
t
U(t)
UН1
t
UН2
U(t)
П
Rн
UН1
UН2
Слайд 145Домашнее задание
подготовка ответа на один из вопросов экзаменационного билета
145
Вычислить напряжение
на сопротивлении RН, если на вход подается постоянное напряжение U
= 2 B,
диод – кремниевый Si.
Вычислить напряжение на диоде при тех же условиях
U=2 В +
А
RН
U=1 В +
А
Uд
R
RН = 2 Ом, RД = 0
Слайд 147Предназначены для работы на сверхвысоких частотах (f > 10 мГц).
Характеризуются
малым сопротивлением базы
и малым временем жизни носителей
2.10 Высокочастотные выпрямительные
диоды
p+
Rр-n
+++
rб
Сп
147
Слайд 148Х - емкостное сопротивление перехода
U(t)=Um·sinωt
RН
Uн
~
Сп
•
•
•
СП
Слайд 149Эквивалентная схема диода на высоких частотах
Rр-n
Сп
rб
При прямом включении диода
rб >>
Rр-n,
При обратном включении диода
rб
- емкостное сопротивление
Сп
(2πƒ·Сп)
1
2πƒ = ω
Слайд 150Предназначены для работы в импульсных устройствах.
Диоды относятся к универсальным.
2.11 Импульсные
диоды
Rн
U
t
Uпр
t
Iпр
tвосст
Iобр
Iо
tвосст – время
рассасывания неосновных
носителей в базе.
Iпр
148
Слайд 151
150
Для демонстрации процесса выпрямления смоделируем схему.
U(t)
VD
Rн
Uн
~
А
Осц.
=
+
UCM
V
Слайд 153Специальные диоды
2.12 Стабилитроны (опорные диоды)
152
Стабилитроны –
диоды, в которых используются свойства электрического пробоя
p-n-перехода (туннельного или
лавинного).
В режиме электрического пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно, т.е. ВАХ практически параллельна оси тока.
Слайд 154Стабилитроны
153
Если в режиме пробоя тепловая мощность, выделяющаяся на
диоде, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон
может работать неограниченно длительное время. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление.
Основное назначение стабилитронов состоит в получении постоянного стабилизированного напряжения, которое не зависит от изменения входного питающего напряжения и изменениями тока, потребляемого нагрузкой.
Слайд 155вольт-амперная характеристика
UПР
Uобр
В
Iпр
IСТ
∆Uпр
Uст
Рдоп
Iст.max
∆Iст
∆Uст
∆Uст
t
∆t = 40 C
o
156
Стабилитроны
•
Рабочий
участок
ВАХ
Слайд 156 Основные параметры стабилитронов:
UСТ - напряжение стабилизации,
IСТ - средний
ток стабилизации,
Icт.max – максимальный ток стабилизации,
Рдоп – допустимая мощность рассеяния
анода,
rСТ =
∆UСТ
∆IСТ
дифференциальное сопротивление
стабилитрона в режиме стабилизации,
- R0 - сопротивление постоянному току,
- ТКН стабилитрона в режиме стабилизации
ξ =
∆Uст
UСТ
1
∆t
100% [%/град]
t
·
138
Стабилитроны
Слайд 157 Обозначение стабилитронов
А
К
Односторонний
Двусторонний
КС168А
КС210Б
Кремниевый стабилитрон, серии 100, напряжение стабилизации равно 6,8 В, разновидности А.
157
Стабилитроны
!
Слайд 158 Стабилитрон, включенный в цепь в прямом направлении и
используемый в качестве стабилизатора напряжения, называется стабистор.
Используется
для получения стабилизированного напряжения 0,6 ÷ 2,0 В.
(КС107А) UСТ = 0,7 В.
158
Стабилитроны
Слайд 159 Стабилитроны используются также в качестве фиксаторов и ограничителей
напряжения,
применяются в схемах защиты нагрузки от перенапряжения.
Uвх +
VD
Rн
Uн
Iн
R0
R0 –
сопротивление, ограничивающее ток.
Понятие нагрузки.
o
o
o
o
Слайд 160Применение стабилитронов
Стабилитроны применяются в схемах стабилизаторов напряжения.
Были
разработаны термокомпенсированные стабилитроны.
Однако напряжение стабилизации UСТ зависит от
температуры корпуса стабилитрона.
Стабилитроны
159
Такие стабилизаторы называются параметрическими.
UСТ
В
ТКН
3 5 8
Слайд 161
RН
UП +
R0
VD1
VD2
-
UН = UСТ
VD1- стабилитрон с положительным ТКН, включен
в обратном направлении,
VD2 – термокомпенсирующий диод с отрицательным ТКН (-
2 мВ/0С).
R0 - сопротивление, ограничивающее ток стабилитрона.
Стабилитроны
160
Слайд 162
Rн
+ UП
R0
UВЫХ
Для проведения расчетов стабилизатора была разработана
схема замещения (модель) стабилитрона.
Стабилитроны
161
rСТ
+
–
UСТ
IСТ
UВЫХ
rСТ
+
–
IН
UСТ
UВЫХ = UП + UCT - IH
rСТ∙R0
rСТ
rСТ + R0
rСТ + R0
R0
rСТ + R0
IСТ
Слайд 165Стабилитроны
.
Стабилитроны
Домашнее задание
подготовка ответа на один из вопросов экзаменационного билета
1. Вычислить
ток нагрузки, если на вход стабилизатора подается постоянное напряжение 10
вольт, стабилитрон типа КС168, RH = 680 Ом, R0 = RH.
UП=10 В +
RН = 680 Ом
R0
IH
Слайд 166Стабилитроны
2. Принцип работы стабилизатора напряжения на основе стабилитрона.
Термокомпенсация
напряжения стабилизатора.
Стабилитроны
3. Принцип действия стабилитрона и стабистора. Их
вольт-амперные характеристики и параметры.
Применение этих диодов.
Слайд 1672.13 Туннельные диоды
В туннельных диодах используется эффект туннельного
прохождения зарядов через
p-n-переход.
Он возникает в очень
тонком переходе в условиях высокой напряженности электрического поля. Ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов (0.7 В).
Заряды проходят в обоих направлениях, создавая ток диода.
166
Слайд 168Туннельные диоды
Эффект туннельного прохождения зарядов через p-n-переход.
Заряды проходят в
обоих направлениях, создавая ток диода.
167
Р+
n
WF
Слайд 169 В прямом включении ток вначале возрастает. При некотором
напряжении Umax ток достигает максимального значения, а затем начинает убывать.
Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход.
168
Туннельные диоды
Р+
n
WF
Слайд 170 При напряжении Umin число таких электронов уменьшается до
нуля и туннельный ток исчезает.
При дальнейшем увеличении прямого
напряжения ток опять начинает увеличиваться теперь уже за счет диффузионных процессов.
169
Р+
n
WF
Слайд 171 Ввиду очень малой толщины слоя
р-n-перехода время перехода
электронов через него очень мало (до 10-13 – 10-14 с).
Поэтому туннельный диод является практически безинерционным прибором.
В обычных диодах электроны проходят через переход под действием диффузионных сил,
т.е. очень медленно.
170
Туннельные диоды
Основная особенность туннельного диода состоит в наличии на его ВАХ участка с «отрицательным» сопротивлением.
Слайд 172 Вольт-амперная характеристика туннельного диода
Uпр
В
IПР
Iобр
∆Iпр
∆Uпр
Umax
Iпр.max
Iдиф
Iтун
rд =
∆Uпр
∆Iпр
Параметры
Imax,
Imin.
Umax,
Umin.
171
Umin.
Iпр.min
Туннельные
диоды
Слайд 173Применение туннельного диода
Uвых
r =
∆Uпр
∆Iпр
д
Диод включен последовательно с
нагрузкой и источником постоянного напряжения U.
В
зависимости от напряжения U и величины нагрузки Rн диод может работать в генераторном или переключательном режимах.
Rн
U+
VD
U-
Слайд 174 В генераторном режиме схема вырабатывает колебания электрического тока,
например синусоидальной формы.
Линия нагрузки диода в генераторном
режиме.
Uпр
Iпр
U
РТ
174
U/RH
Слайд 175Для возникновения колебаний в схеме следует выполнить два условия.
Напряжение
U должно обеспечивать положение РТ на участке с отрицательным сопротивлением.
Отрицательное
сопротивление rд должно быть больше RH rд > RH.
Линия нагрузки диода в генераторном режиме.
Она проводится по двум точкам.
Uпр
Iпр
U
РТ
174
U/RH
Туннельные диоды
Слайд 176В переключательном режиме схема вырабатывает импульсы электрического тока прямоугольной формы,
если имеется внешнее воздействие.
Линия нагрузки диода
в переключательном режиме.
Uпр
Iпр
U
1
2
В переключательном режиме рабочая точка может находиться либо в точке 1,
либо в точке 2.
175
Туннельные диоды
U/RH
Слайд 177Вид ВАХ туннельного диода и величины тока и напряжения.
176
rд
≈ 160 Ом
Слайд 178Обозначение туннельного диода на электрических схемах
178
3И202А
- Предназначен для работы
в генераторном режиме.
3И302А
- Предназначен для работы в переключательном режиме.
И
– принадлежность прибора к туннельным диодам.
VD
Туннельные диоды
Слайд 179 Такие диоды строятся на вырожденном полупроводнике. У них
отсутствует максимум на прямой ветви ВАХ.
Прямой ток обусловлен
диффузионным механизмом, а обратный – туннельным.
Применяется для детектирования (выпрямления) СВЧ сигналов малых напряжений амплитудой до 0.3 В.
2.14 Обращенные диоды
179
Однако при использовании обращенного диода необходимо поменять местами анод и катод.
Слайд 180Прямая ветвь ВАХ используется как обратная, диод закрыт, если напряжение
меньше 0.3 В.
Обратная ветвь используется для включения в прямом направлении.
Uпр
В
Iпр
Iобр
0.1В
0.3 ÷ 0.5 В
180
UОБР
В
Вольт-амперная характеристика обращенного
диода
ψК
Обращенные диоды
Слайд 181Обозначение обращенного диода
АИ402Д
А – арсенид-галлиевый,
И – туннельный,
4 – обращенный.
181
VD
Обращенные диоды
Слайд 182Вопросы в экзаменационных билетах
1. Принцип работы туннельного диода. Его ВАХ
и параметры.
2. Применение туннельного диода в схемотехнике.
3. Обращенный диод. Его
ВАХ и параметры. Применение обращенного диода.
182
Обращенные диоды
Слайд 1832.15 Варикап
Диод, в котором используется
барьерная емкость p-n-перехода.
Величина емкости зависит от приложенного к диоду обратного напряжения.
С увеличением напряжения емкость уменьшается.
Специальные диоды
Емкость варикапа можно оценить
СВ =
С0
√ 1 – UВ/ψК
С0 – начальная емкость варикапа при UВ = 0,
ΨК – контактная разность потенциалов
p-n-перехода.
Слайд 184
СВ
UОБР
В
С0
Св.min
Св.mах
Параметры:
- Св.min, Св.mах,
- коэффициент перекрытия по емкости Кс
- Кс
=
Св.min
- добротность варикапа QВ
QВ =
ХС
rП
ХС – реактивное
сопротивление варикапа,
rП – сопротивление потерь.
Вольт-фарадная характеристика варикапа
СВ = f (UОБР)
+ +
20 10
Слайд 185Обозначение варикапов
КВ107А
К – на основе кремния,
В
– варикап,
1 - подстроечный,
07 – номер разработки,
(2) – умножительный.
Св = (10 ÷ 50) пФ (10-12 Ф),
Uобр = (2 ÷ 10) В.
VД
185
Варикап
Слайд 186 Варикап используется в качестве электрически управляемой емкости.
~
С
СВ
R
r
Uупр
+
-
L
С
>> Cв
L
и
СВ
образуют колебательный контур.
Резонансная частота контура изменяется под
действием
управляющего напряжения.
Uвых
Г
ω0 =
1
√LCВ
Слайд 187 Вопросы по варикапу
Варикап, принцип работы. Характеристики и
параметры варикапа.
Применение варикапа в схемах электроники. Обозначение варикапа на схемах.
Слайд 1882.16 Фотодиод
n
+
Ф
(-)
+
Е
188
ФОТОДИОД - полупроводниковый диод,
в котором
используется зависимость его характеристики от освещенности.
Он имеет два электрода,
разделенные
р-n-переходом.
В корпусе диода имеется окно с оптической средой, сфокусированной на р-n-переходе.
h∙ν
Слайд 189Световой поток Ф c энергией , падающий на
р-n-переход, приводит к появлению дополнительных пар электрон-дырка.
169
Под действием электрического поля
р-n-перехода дырки переходят в р-область, а электроны остаются в n-области, они не могут преодолеть потенциального барьера.
Происходит накопление дырок в р-области и электронов n-области.
При этом через переход потечет ток IФ и I0.
h∙ν
Фотодиод
Слайд 190
170
Общий ток через переход
При этом между электродами устанавливается некоторая разность
потенциалов, представляющая собой фото-эдс
или напряжение холостого хода UXX.
Напряжение UХХ< 0,7 В для диодов на основе кремния.
Фотодиод
Слайд 191На основании соотношения для тока можно определить выходное напряжение.
171
UВЫХ
= φT ℓn (1 +
)
IФ – Iр-n
I0
Соотношение описывает ВАХ фотодиода
Фотодиод
Слайд 192 Вольт-амперные характеристики фотодиода
172
UПР
Uобр
IФ
I0
I
Ф=0
Ф*> 0
•
•
Ф** > Ф*
Ф –
интенсивность (мощность) светового потока.
Фотодиод
Слайд 193 Обычно фотодиод работает с внешним
источником напряжения
фотодиодный режим.
191
RН
Ф
IФ
Е
+
-
•
UН
Е = UН + UФД
Фотодиод
Слайд 194фотодиодный режим
192
Е = UН + UФД
IФ
UОБР
Iобр
РТ
Ф=0
Ф > 0
•
•
UФД
Е
Е/RH
UТ
IТ
Фотодиод
Слайд 195 Работа фотодиода в генераторном режиме
193
Если к выводам
фотодиода подключить сопротивление, то потечет ток Iф = -Si·Ф.
R
n
+
Ф
(-)
+
Е
IФ
R
UПР
IФ
Ф>0
•
РТ
UФ=R∙IФ
UФ
IФ
UХХ
IКЗ
•
•
Фотодиод
Ф=0
Слайд 196 При R →∞ I = 0
имеем UХХ
– напряжение холостого хода,
при R → 0 U
= 0
имеем IКЗ – режим короткого замыкания.
Условию 0 < R < ∞ соответствует положение рабочей точки, для которой определены IФ, UФ
и мощность РФ = IФ∙UФ.
Максимальной мощности РФ соответствует оптимальная нагрузка, для которой
UФопт ≈ 0.35 ÷ 0.45 В.
194
На сопротивлении выделится напряжение UФ=R∙IФ.
Фотодиод
Слайд 197 Таким образом фотодиод является:
- приемником (датчиком) оптического излучения,
- прямым преобразователем энергии оптического излучения в энергию электрического
тока.
195
Основные параметры фотодиодов
Интегральная чувствительность Si = IФ/Ф,
Темновой ток IT,
диапазон длин волн принимаемого излучения.
Фотодиод
Слайд 198ФД24К – фотодиод, разработка 24,
разновидности К.
Имеет интегральную чувствительность
Si
= 0,25 мкА/люкс.
Темновой ток составляет 10-2 ÷ 1 мкА
196
Обозначение фотодиодов
ФД
Фотодиод
Слайд 200198
2.17 Светоизлучающие диоды (СИД)
Светодиод — это полупроводниковый прибор,
преобразующий энергию электрического тока непосредственно в энергию светового излучения.
По-английски светодиод называется
light emitting diode, или LED.
При рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода возникает излучение, если нарушается равновесное распределение электронов.
Слайд 201 СИД излучения
199
Свободная зона.
Запрещенная зона.
Валентная зона.
Обычно
излучение является монохроматическим, т.к. ширина запрещенной зоны для конкретного материала
достаточно стабильна.
Слайд 202200
Ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна
быть близка к энергии квантов света.
От ширины запрещенной
зоны зависит частота излучения, чем она больше, тем выше частота.
Излучение возникает уже при напряжении более одного вольта, что немногим более ширины запрещенной зоны.
Слайд 203201
Интенсивность излучения легко модулируется величиной тока «накачки» светодиода
и обладает малой инерционностью, составляющей 10-8 – 10-10 с.
Светодиод — низковольтный прибор.
Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА.
Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение,
но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте.
Слайд 204202
Одна из основных характеристик эффективности светодиода — внешний
квантовый выход.
Квантовый выход — это число излученных квантов света на
одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).
Внешний квантовый выход для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.
Слайд 205203
Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой
света, а также диаграммой направленности.
Существующие светодиоды разных конструкций излучают
в телесном угле от 4 до 140 градусов.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется параметр
светоотдача:
величина светового потока на один ватт затраченной электрической мощности.
Слайд 206204
Для производства светодиодов используются различные материалы.
- Арсенид галлия
GaAs.
- Фосфид галлия GaP и др.
Для GaAs ∆ε
≈ 0,5 ÷ 2,5 эв, что соответствует длине волны от 6 до 0,5 мкм (инфракрасный диапазон).
Слайд 209207
Обозначение
АЛ106А – GaAs инфракрасного диапазона,
АЛ102Б – зеленого цвета,
КЛ104А –
светодиодные индикаторы (цифровые, буквенные).
Слайд 210208
Полупроводниковые индикаторы
На основе светодиодов изготовляют индикаторы.
Различают индикаторы
точечные, предназначенные для отображения цветной световой точки,
и знаковые – для
отображения символов, цифр и букв.
Слайд 211209
В знаковых индикаторах каждый диод представлен сегментом.
Из семи сегментов составляются цифры и часть букв.
Система управления (дешифратор)
Слайд 212210
Большими возможностями обладают индикаторы в виде матриц точечных элементов.
Например, знаковый индикатор АЛС340А состоит из 35 точечных
элементов. Элементы расположены в 5 колонках и 7 рядах.
Слайд 213211
Что такое светодиод?
http://www.radiodetali.com/article/all/led-faq.htm
Слайд 214212
Когерентное излучение
_
ε
hν
При определенных условиях в полупроводнике существует система возбужденных и
невозбужденных уровней, находящихся в тепловом равновесии.
Путем сильного возбуждения электронов
они могут быть переведены в свободную зону.
∆ε – ширина запрещенной зоны
Слайд 215213
Возбужденные электроны скапливаются возле дна свободной зоны, а дырки –
у потолка валентной зоны.
Дополнительную энергию электроны получают оптическим излучением
или инжекцией через p-n-переход с помощью электрического тока.
Слайд 216214
Если возбужденную систему облучить световым потоком с энергией
hν
∆ε
то энергия не будет поглощаться.
Если подводимая энергия больше энергии
ширины запрещенной зоны, то произойдет поглощение дополнительной энергии с последующим излучением.
Слайд 217215
Процесс взаимодействия кванта света с возбужденным электроном таков,
что фотоны возбуждения оказываются в фазе с квантами света, т.е.
излучение является когерентным.
Для получения направленного пучка излучения используют световые резонаторы, систему зеркал, систему полированных поверхностей кристалла.
В полупроводниковых оптических квантовых генераторах - лазерах дополнительная энергия электронам обеспечивается с помощью электрического тока.
Слайд 218194
В последнее время были разработаны полупроводниковые источники белого
излучения.
В них использованы приборы, использующие гетеропереходы.
Это такие переходы,
в которых
р- и n-структуры имеют различную ширину запрещенной зоны.
На их основе созданы преобразователи инфракрасного излучения в видимое.
Слайд 219217
+U
- U
Ge
n-
GaAs
n-
GaAs
p-
Обратно смещенный переход
Прямо смещенный
переход
Инфракрасное излучение
λ = 1.5 мкм
Видимое
излучение
λ = 0.9 мкм
Слайд 2212.18 Диод с барьером Шоттки ДШ
Диод основан на структуре
n - n - M.
+
n
+
n
M
(-)
+ -
φ0
Работа выхода электрона из полупроводника
n-типа меньше, чем из металла.
Поэтому электроны из полупроводника переходят в металл и он заряжается отрицательно, появляется потенциальный барьер аналогичный структуре p-n-перехода.
M - Au
221
Слайд 222Диод Шоттки
n
+
n
M
(-)
+ -
φо
Из-за резкого различия
концентраций свободных электронов инжекция неосновных носителей в базу отсутствует.
При прямом включении высота барьера уменьшается, число электронов увеличивается, увеличивается прямой ток.
При обратном включении число электронов уменьшается уменьшается и ток.
222
rб
Слайд 223ДШ
3И401А
222
Uпр
В
Iпр
0,2 0,5 0,7
Ge
ДШ Si
Слайд 224 Преимущества ДШ.
Малая инерционность, нет процессов накопления
и рассасывания зарядов.
Малое сопротивление базы rб.
Хорошая теплопроводность –
один из электродов – металл.
Малые шумы прибора нет процессов рекомбинации.
ДШ
3И401А
223
Слайд 2252.17 Классификация и система обозначений диодов
Система обозначений полупроводниковых
диодов установлена отраслевым стандартом
ОСТ 11336.919-81.
В основу
системы обозначений положен буквенно-цифровой код.
223
Слайд 226Классификация и система обозначений диодов
Диоды классифицируются по:
исходному полупроводниковому материалу.
назначению.
физическим свойствам.
электрическим параметрам.
конструктивно-технологическим признакам.
1-й элемент
– исходный материал:
Г или 1 – германий Ge,
К или 2 – кремний Si,
А или 3 – арсенид галлия GaAs,
И или 4 – соединения индия.
224
Слайд 2272-й элемент – буква – подкласс прибора:
Д - диоды
выпрямительные универсальные приборы,
Ц – выпрямительные столбы и блоки,
С
– стабилитроны,
А – СВЧ диоды,
В – варикапы,
И – туннельные диоды,
Л – излучающие оптоэлектрические приборы,
О – оптроны.
227
Слайд 228 3-й элемент – число – отражающее основные
функциональные возможности прибора:
1 - диоды выпрямительные IСР < 0.3
A,
2 – выпрямительные IСР < 10 A,
4 – импульсные,
4-й и 5-й элементы – порядковый номер разработки.
6-й – особенности диода в данной серии.
дополнительный – буква
С – сборка диодов в одном корпусе,
цифра – обозначение конструкции выводов.
228
Слайд 229Классификация и система обозначений диодов
2 Д 2 0 4 В
особенности
диода
порядковый номер разработки.
выпрямительный IСР < 10 A
подкласс прибора - диод
исходный
материал - Si
2 C 1 5 6 A
Кремниевый, стабилитрон, малой мощности (100),
Uст = 5,6 В, разновидность А.
229
Слайд 231Электроника
Тема 3. Биполярные транзисторы
Литература
1. Миловзоров О.В., Электроника: Учебник для
вузов.
/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
2. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб.пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000 г.
231
Слайд 2323.1 Общие положения
Транзисторы
Транзистор - полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать
мощность электрических сигналов.
Подразделяются на биполярные и
полевые.
транзисторы
биполярные
полевые
n-p-n
p-n-p
Биполярные транзисторы были разработаны в 1947 г.
Полевые – в 1952 г.
232
Слайд 233Биполярные транзисторы
(далее транзисторы)
3.2 Физические процессы в транзисторе
233
Биполярный транзистор представляет собой
систему двух взаимодействующих р-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются
носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными.
В зависимости от чередования р- и n-областей различают транзисторы
n-p-n типа и p-n-p типа.
Слайд 234 Одна из крайних областей имеет более высокую степень
легирования примесями и меньшую площадь. Её называют эмиттером.
Другую крайнюю
область называют коллектором. Среднюю область транзистора называют базой.
Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.
234
Транзисторы
n
+
p
n
-
-
+
Э Б К
-
-
-
-
(+)
Коллектор
Эмиттер
Слайд 235Эмиттер имеет самую высокую концентрацию примесей.
Концентрация примесей в коллекторе
на 5 – 6 порядков меньше.
Концентрация примесей в базе еще
на 5 – 6 порядков меньше.
Толщина базы меньше длины свободного пробега электронов.
Слайд 237Модель транзистора типа n-p-n
n
+
p
n
-
-
+
Э
Б К
-
-
-
-
(+)
─ Uбэ
+
─ Uбк +
Iэ
Iк
Iб
236
Слайд 238 Включим внешние источники напряжения Uэб и Uбэ так, что
эмиттерный переход транзистора сместится в прямом направлении,
а коллекторный –
в обратном.
При этом будет происходить инжекция электронов из эмиттера в базу.
Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору.
Часть электронов рекомбинирует в базе.
236
Транзисторы
Слайд 239Поскольку база относительно тонкая, то основная часть электронов пролетает базу и
оказывается на границе перехода Б-К.
Но электрическое поле
перехода Б-К для электронов включено согласно и электроны втягиваются полем в структуру коллектора.
236
Транзисторы
Слайд 240 Таким образом, электроны выходят из эмиттера под
действием диффузионных сил,
а втягиваются в коллектор под действием сил
электрического поля.
В результате рассмотренных процессов нарушается равновесное состояние зарядов
всех структур.
Равновесное состояние зарядов должно восстановиться за счет носителей внешних источников.
237
Слайд 241Ушедшие из эмиттера электроны восполняются электронами источника Uэб,
пришедшие в
коллектор электроны компенсируются дырками источника Uбк,
рекомбинировавшие дырки базы –
дырками источника Uэб.
В результате во внешних цепях потекут токи
Iэ, Iк, Iб.
По закону Кирхгофа
Iэ = Iк + Iб.
240
Транзисторы
Слайд 242 Iэ = Iк + Iб.
Работу
транзистора характеризуют параметром α
Iк
α =
Iэ
- Параметр
называется
коэффициент передачи тока эмиттера.
242
Слайд 243 Кроме основных носителей в коллекторе имеются неосновные носители
- дырки.
Для них поле коллектора включено согласно и они
начнут переходить в базу также нарушая равновесное состояние коллектора и базы.
Равновесие восстанавливается приходом дырок от источника Uбк, создавая ток Iкб .
Таким образом, в коллектор втекает ток IК и
.
В базу втекает ток Iб и .
о
243
Транзисторы
Слайд 244Ток коллектора можно записать
IК = α·IЭ +
Iкб
о
Коэффициент α имеет величину 0,95 ÷ 0,99,
т.е. весьма близкую к единице.
Ток Iк >> , поэтому в большинстве случаев обратный ток коллектора
можно не учитывать.
244
о
Iкб
n
+
p
n
-
-
+
Э Б К
-
-
-
-
(+)
Iэ
Iк
Слайд 245 Свойства транзистора описывают с помощью характеристик.
Для их
получения воспользуемся моделью транзистора на постоянном токе моделью
Молла-Эберса.
P-n- переходы представим в виде двух диодов, подключенных к источникам напряжения.
3.3 Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)
245
Слайд 246Модель Молла-Эберса.
246
Iб
Iэ
Iк
Uбк
+
─
Uэб
─
+
Э
К
Б
ОБ
Модель позволяет получить
ВАХ.
Слайд 247 Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как
четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один
из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей.
В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим, различают три схемы включения транзистора:
с общей базой (ОБ);
с общим эмиттером (ОЭ);
с общим коллектором (ОК).
247
Слайд 248 Наибольшее распространение в схемотехнике получила схема ОЭ.
247
Транзисторы
∆UВХ=∆UБЭ
∆IВХ=∆IБ
∆UВЫХ=∆UКЭ
∆IВЫХ=∆IK
Слайд 249 Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются
входные и выходные характеристики.
Входные характеристики - зависимость входного
тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром.
Iэ = ƒ(Uэб,Uкб)
Выходные характеристики - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром.
Iк = ƒ(Uкб,Iэ)
Характеристики, полученные при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.
249
Транзисторы
Слайд 250При проведении расчетов схем на транзисторах часто используется
проходная характеристика
Iк = ƒ(Iб)
Iк
Iб
В =
∆Iк
∆Iб
∆Iб
∆Iк
Слайд 251 Переход К-Б включен в обратном направлении, чему соответствует
обратная ветвь p-n-перехода.
Наряду с этим
,
Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкб,Iэ)
для схемы включения ОБ
Iк = α·Iэ
α ≤ 1
Iк
Uкб
Iэ = 0
> > > 0
Пробой
Нормальный
активный режим
251
Слайд 252Входная характеристика Iэ = ƒ(Uэб,Uкб)
Переход Э-Б включен в
прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.
Iэ
Uэб
Uкб >
0
20 C
Uкб = 0
t=60 C
o
o
252
Слайд 2533.4 ВАХ схемы включения общий эмиттер (ОЭ)
В
этом случае эмиттер является общим как для входной цепи так
и для выходной.
К
Б
Э
Iб
IК
Iэ
Uкэ
─
+
Uбэ
─
+
Iб – управляющий ток,
IК – управляемый ток.
IЭ = IК + Iб
253
Слайд 254 Определим ток коллектора применительно к схеме ОЭ.
Iэ
= Iк + Iб.
IК = α·IЭ +
Iкб
о
В уравнение
подставим значение тока
После преобразований получим
IК = ·Iб +
α
1 ─ α
1 ─ α
Обозначим = В
= Iкэ
о
- сквозной ток транзистора
В – статический коэффициент передачи тока базы
Если α =
0,99, то В ≈ 100.
Это означает, что ток коллектора в 100 раз больше тока базы.
Транзисторы
IК = В·Iб +
Слайд 256ВАХ схемы общий эмиттер
Коллекторные характеристики Iк = ƒ(Uкэ,Iб)
ток базы является
параметром.
IК
Uкэ
Iб = 0
Iб
″
> >
Рк.доп
IК
= В·Iб
255
15
+
*
Iб = 40 μА
В =
∆Iк
∆Uк
+
+
Iб = 20 μА
Iб = 20 μА
∆
∆Iк
∆Iб
rк =
В
мА
= кОм
*
Слайд 258ВАХ схемы общий эмиттер
Коллекторные характеристики Iк = ƒ(Uкэ,Iб)
253
мА
IК,
5
UКЭ, В
0
10
8
6
2
4
IБ = 0
15
10
IБ = 100 мкА
IБ = 200
мкА
IБ = 50 мкА
IБ = 150 мкА
Слайд 259Входная характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ)
Переход Б - Э
включен в прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.
Iб
Uбэ
Uкэ = 0
Uкэ > 0
20 C
t=60 C
o
o
∆Uбэ
∆Iб
Iб2
Iб1
∆Iб = (
Iб2
Iб1)
259
Слайд 260Входная характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ)
260
В UБЭ
мА IБ
0
0,2
0,1
0,6
0,4
0,8
0,4
0,3
UКЭ = 1 В
UКЭ = 0 В
UКЭ = 5 В
Слайд 261Параметры транзистора
α - статический коэффициент передачи тока эмиттера,
α =
дифференциальное сопротивление
цепи базы,
В - статический коэффициент
передачи тока базы,
В =
В + 1
В
- дифференциальное сопротивление цепи
коллектора для схемы включения ОЭ,
261
*
Слайд 262Параметры транзистора
- сквозной ток транзистора в схеме ОЭ,
Мощность рассеяния
Рк = < Рк.доп
Uк
Iк
·
Рк.доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи.
Эта мощность выделяется в виде тепла.
262
Слайд 263 Биполярные транзисторы
Литература
1. Миловзоров О.В., Электроника: Учебник для вузов.
/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
263
Слайд 2643.5 Инерционные свойства транзисторов
При быстром изменении сигнала начинают
проявляться инерционные свойства транзисторов.
Причины:
конечная и различная
скорость (энергия) носителей зарядов,
конечная толщина базы,
процессы насыщения и рекомбинации.
Эти причины ограничивают частотные свойства транзисторов.
264
Слайд 265
Подадим во входную цепь транзистора – цепь базы
скачок тока Из-за указанных причин ток
коллектора начнет возрастать не сразу, а с некоторой задержкой.
Нарастание тока коллектора происходит по экспоненциальному закону, который характеризуется постоянной времени
τ (читается тау).
∆Iб.
265
Слайд 266Нарастание тока коллектора происходит в течение времени tф.
Iк
Iб
∆Iб
∆IК = В·∆Iб
∆IК=В∆Iб
0,9·∆Iк
0,63∆Iк
τ
tф
tз
tф -
время, в течение которого экспонента нарастает до уровня называется время фронта.
0,9·∆Iк
t
Слайд 267ω
Появление затягивания фронта свидетельствует о том, что
коэффициенты и В зависят от времени (частоты).
Эту
зависимость характеризуют постоянной времени коэффициента В .
α
τв
267
В(ω)
ωгр
В=1
В/√2
ω1
Слайд 268ω
Для RC – цепи
τ =
267
К(ω)
ωгр
Кmax/√2
R
С
UВЫХ
UВХ
UВЫХ
UВХ
К =
3 Дб
Слайд 269 Частотные параметры транзисторов:
граничная частота ƒГР (ωгр)
– частота, на которой коэффициент В уменьшается в √ 2
раз.
частота единичного усиления |В(jω)| = 1.
τВ = 1/ωВ =
1
2πƒ
ωГР ≈ Во/
τВ
ω – круговая частота,
ω =
2πƒ
268
Слайд 2703.6 Шумы транзистора
При работе транзистора возникают шумы.
Шум –
хаотическое изменение тока коллектора под действием внутренних и внешних факторов.
Шумы обусловлены:
дробовый шум - дискретность носителей зарядов,
тепловой шум,
поверхностные явления у p-n-переходов,
рекомбинационные шумы.
269
Слайд 271Шумы транзистора
Величину шума оценивают коэффициентом
шума КШ.
КШ = UШ/UШ0
или Кш[дБ] = 10lg Кш
UШ – напряжение,
которое необходимо подвести во входную цепь «нешумящего» транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.
Uшо – напряжение тепловых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора.
Шумы ограничивают минимальное значение входных сигналов.
270
Слайд 2723.7 Влияние изменения температуры на ВАХ
Токи в транзисторе
сильно зависят от изменения температуры.
- Ток
удваивается при изменении температуры на каждые 8 -10 градусов.
- Коэффициент В увеличивается при повышении температуры с темпом 3% на градус.
- На входной ВАХ ТКН = - 2 мВ/ºС.
Указанные факторы приводят к увеличению тока коллектора с повышением температуры.
Поэтому коллекторные ВАХ смещаются в область больших токов коллектора.
271
Слайд 273Влияние температуры
IК
Uкэ
Iб = 0
ºС
ºС
Iб μА
Uбэ
Uкэ
> 0
20 C
t=60 C
o
o
Iб2
Iб1
Если зафиксирован ток
базы, то напряжение Uбэ с повышением температуры уменьшается.
Если зафиксировано напряжение Uбэ, то увеличивается ток базы с повышением температуры.
Iк.доп
Слайд 274Предельные режимы
IК
UКЭ
Iб = 0
ºС
ºС
Рк.доп
.
Iк.доп
Uкэ.доп
Область насыщения
Область отсечки
Uкэ.доп
Слайд 275По температуре. Для Si – 100 – 120 ºC.
Для приборов
на основе GaAs рабочая температура может достигать 200 ºС.
По току
Iк.доп возможен перегрев.
По напряжению Uкэ.доп возможен пробой.
По рассеиваемой мощности РК = IК·UК ≤ Рк.доп.
Рабочая область.
Н – область насыщения.
О – область отсечки коллекторного тока.
| B(j·ω)| = 1.
3.8 Предельные режимы работы транзистора
274
Слайд 276 В основу системы положен буквенно-цифровой код.
1-й
элемент:
Г или 1 – германий,
К или 2 – кремний или
его соединения,
А или 3 – соединения галлия,
И или 4 – соединения индия.
Буквенные символы присваиваются приборам общего применения.
Числовые - приборам специального применения.
3.9 Классификация и система обозначений
275
Слайд 277 В основу системы положен буквенно-цифровой код.
2-й элемент:
Т – подкласс прибора – транзистор биполярный.
Классификация и система обозначений
275
Слайд 2783-й элемент классификации -
мощность рассеяния и граничная частота.
Классификация и
система обозначений
граничная частота мГц
до 3 до 30
> 30 до 300 > 300
Мощность Вт
101-199 201-299 301-399
401-499 501-599 601-699
701-799 801-899 901-999
1 2 4
7 8 9
Малая < 0.3
Средняя < 1.5
Большая > 1.5
До 1 Вт
Больше 1 Вт
276
Слайд 279Классификация и система обозначений
4-й элемент – классификационный литер – буква.
Дополнительные знаки:
С – сборки транзисторов в одном корпусе,
Цифра
– бескорпусные транзисторы.
277
3 01 А
Классификация и система обозначений
Кремниевый
Транзистор
биполярный
Разновидность в серии
Номер разработки в серии
Мощность Рк < 0,3 Вт
высокочастотный
КТ3102А - граничная частота до 300 мГц.
278
300 – серия.
9 37 А − 2
Классификация и система обозначений
Кремниевый
Транзистор
Разновидность в
серии
Номер разработки в серии 37
Мощность > 3 Вт высокочастотный
бескорпусной, с гибкими выводами на
кристаллодержателе.
279
Слайд 282система обозначений
Б
К
Э
Положительный ток
Транзистор типа n-p-n
“обратный”
Б
К
Э
Положительный ток
Транзистор типа p-n-p
“прямой”
Вывод от корпуса
Допускается
окружность не рисовать.
Изображение транзистора можно поворачивать на
90º
в любом направлении.
Внешний вывод коллектора и эмиттера можно изображать так как показано или повернуть на 90º.
279
Коллектор соединен
с корпусом
Слайд 283система обозначений
Б
К
Э
A
Транзистор типа n-p-n
60
280
D
0.5A
A
A 9
11
D 12 14
Слайд 284система обозначений
Транзистор типа n-p-n
281
система обозначений
Россия
Motorol 1
National 2
2Т312А Q2N3500 PN5132
Слайд 289Лекция 10
Биполярные транзисторы
3.10 Эквивалентные схемы замещения транзисторов
289
Эквивалентные схемы (модели) необходимы для проведения анализа и синтеза электро-
и радиотехнических схем
Слайд 290Эквивалентные схемы замещения транзисторов
290
Рассматриваемые далее эквивалентные схемы можно использовать
при условии:
транзистор работает в линейном режиме,
изменения токов
и напряжений малы по амплитуде,
нелинейные ВАХ можно заменить линейными,
параметры транзистора в общем случае являются дифференциальными.
Слайд 291
Используют:
- физическую Т-образную эквивалентную схему,
формальную модель:
в h-параметрах,
в Z-параметрах,
в R-параметрах.
291
Слайд 292нелинейные ВАХ можно заменить линейными
292
UКЭ
Iб = 0
Iб
∆UКЭ
UКЭ
UКЭ
∆UКЭ
Слайд 293 Эквивалентная схема для включения транзистора по схеме общий
эмиттер (ОЭ).
Физическая Т-образная эквивалентная схема
Uкэ
─
К
Б
Э
Iб
Iк
Iэ
+
Uбэ
─
+
º
Установим в центре
базы теоретическую точку.
Между точкой и выводом базы имеется распределенное объемное сопротивление базы. Обозначим его символом rб.
293
rб
-
Б
º
rб
Слайд 294 Эквивалентная схема для включения транзистора по схеме общий
эмиттер.
Uкэ
─
К
Б
Э
Iб
Iк
Iэ
+
Uбэ
─
+
º
Между точкой и выводом эмиттера имеется p-n-переход, характеризующийся дифференциальным сопротивлением
rЭ.
294
rЭ
Б
º
rб
Э
rЭ
Слайд 295 Эквивалентная схема для включения транзистора по схеме общий
эмиттер.
─
К
Б
Э
Iб
Iк
Iэ
+
Uбэ
─
+
º
Между точкой и выводом коллектора имеется
p-n-переход, характеризующийся дифференциальным сопротивлением
rК.
rК
295
*
*
*
rК* - дифференциальное сопротивление коллекторной цепи в схеме ОЭ
Б
º
rб
Э
rк
*
К
rЭ
Слайд 296IЭ = IК + Iб
IК = В·Iб +
Ток коллектора протекает также по
сопротивлению
учтем этот ток.
+
В·Iб
rб
rЭ
IЭ
IК
Iб
UКЭ
Uбэ
К
Б
Э
296
Слайд 297 Эквивалентная схема составлена для постоянного тока.
Схему можно распространить
и для переменного тока, приняв допущения:
амплитуда переменной составляющей тока
и напряжения много меньше величины постоянной составляющей,
нелинейные ВАХ считаем линейными.
∆IК << IК
, ∆UК << UК
Слайд 298- барьерная емкость коллекторного перехода
при включении транзистора по схеме ОЭ.
Iб
Uбэ
Uкэ > 0
Iб2
Iб1
∆Iб=(Iб2-Iб1)
∆Uбэ=(Uбэ2-Uбэ1)
Uбэ2
∆Iб
Iб2
∆Uбэ << Uбэ2
Слайд 299 - дифференциальное сопротивление перехода Э-Б, включенного
в прямом направлении.
rЭ
φТ – температурный потенциал p-n-перехода.
При температуре 20 ºС
= 0,025В или 25мВ.
φт
Если задан ток эмиттера Iэ = 1 мА, то
rэ = 25 Ом.
299
Слайд 300 Наличие в схеме реактивного элемента в виде емкости
говорит о том, что в общем виде схема является частотнозависимой.
и
являются
генераторами тока, обеспечивая ток коллектора.
Ток В·Iб >> , поэтому во многих случаях анализа схем обратный ток можно не учитывать.
Iкэ
о
300
Слайд 301Поэтому во многих случаях анализа схем используют простое соотношение.
301
Ток
также можно не учитывать, т.к.
сопротивление rK
относительно большое.
IК = В·Iб
Слайд 302Параметры эквивалентной схемы:
rэ,
rб
Таким образом, получена
обычная электротехническая цепь, состоящая из пассивных и активных элементов.
К ней
применимы все законы электротехники, позволяющие проводить анализ и синтез цепей.
302
Слайд 303Генератор тока В·Iб можно заменить генератором напряжения на основании теоремы
об эквивалентном генераторе.
Тогда в схеме останутся генераторы напряжений.
Недостаток модели
состоит в том, что
r-параметры можно получить
только теоретически, расчетным путем.
303
Слайд 304Схема включения транзистора ОБ
физическая Т-образная эквивалентная схема
IК = α·IЭ +
rк
Uкб
+
Ток эмиттера
является управляющим,
ток коллектора – управляемым.
α·Iэ
rк
rб
rэ
IЭ
IК
Iб
Uкб
Uэб
К
Б
Э
304
Слайд 305Эквивалентные схемы замещения транзисторов
3.11 Транзистор как линейный четырехполюсник
Формальная модель
Недостаток физической схемы состоит в том, что r-параметры можно получить
только теоретически, расчетным путем.
Модель применима при условии:
- транзистор работает в линейном режиме,
- изменения токов и напряжений малы по амплитуде,
- нелинейные ВАХ можно заменить линейными.
305
Лекция 11
Слайд 306Транзистор как линейный четырехполюсник
306
Iк
Uкэ
Iб = 0
Линейный режим
работы транзистора
Uкэ.доп
Область
насыщения
Область отсечки
Рк.доп
РТ
●
Слайд 307Транзистор как линейный четырехполюсник
Наибольшее распространение получила система
в h-параметрах (комбинированная система).
Наибольшее применение в схемотехнике получила схема
включения транзистора ОЭ.
Поэтому рассмотрим параметры применительно к такой схеме включения.
307
о
о
о
о
Э
о
U1
I1
I2
U2
Слайд 308Транзистор как линейный четырехполюсник
U1 = ƒ (I1,U2)
I2 = ƒ
(I1,U2)
Рассмотрим систему уравнений.
В общем виде уравнения системы нелинейные.
Учитывая введенные ранее ограничения, уравнения будем считать линейными.
ƒ – функциональная зависимость.
308
Слайд 309 Представим четырехполюсник в виде системы линейных дифференциальных уравнений.
Полный дифференциал можем заменить частным дифференциалом. От частного дифференциала по
определению можно перейти к приращению ∆.
От приращений согласно договоренностей перейдем к переменным токам и напряжениям малой амплитуды в частности синусоидальной формы.
309
Слайд 310310
U1 =
∙U2
∙U2
I2 =
∙I1 +
∙I1 +
Учитывая
принятые ограничения, запишем
Рассмотрим первое уравнение
U1 =
∙U2
∙I1 +
Примем, что U2 = 0, - режим короткого замыкания на выходе (КЗ).
Слайд 311 при этом
∆I1
∆U1
= h11 [Ом]
= h12
- Входное сопротивление.
∆U1
∆U2
Коэффициент
внутренней обратной связи.
Коэффициент не имеет размерности.
311
U2=0
Примем, что I1
= 0, - режим холостого хода на входе (ХХ).
I1=0
Слайд 312 Рассмотрим второе уравнение.
∆I2
∆I1
= h21
Коэффициент передачи по току
Выходная проводимость
(выходное
сопротивление). Размерность (Сименс).
312
∙U2
I2 =
∙I1 +
Примем, что U2 =
0, - режим КЗ на выходе.
U2=0
= h22
∆I2
∆U2
Примем, что I1 = 0, - режим ХХ на входе.
I1=0
Слайд 313 Введем параметры.
∆I2
∆I1
∆U1
h11
h12
∆U2
h21
h22
313
Слайд 314Примем, что токи и напряжения малой амплитуды переменного тока.
Запишем систему уравнений четырехполюсника
U1 =
h11·I1 +
h12·U2
I2 =
h21·I1
+ h22·U2
На основании системы уравнений составим электрическую схему четырехполюсника.
U1
I1
~
h11
h12·U2
h21·I1
h22 U2
I2
314
Слайд 315 Напряжение генератора
Упростим электрическую схему четырехполюсника
h12·U2
Поэтому во многих случаях анализа схемы напряжением генератора можно пренебречь.
UВХ
IВХ
h11
h21·IВХ
h22 UВЫХ
IВЫХ
Сменим индексы токов и напряжений
315
Слайд 316 Найдем связь между h- и r-параметрами
316
В·Iб
rб
rЭ
IЭ
IК
Iб
UКЭ
Uбэ
К
Б
Э
При анализе и синтезе электронных схем
приходится оперировать как h- так и
r-параметрами.
Слайд 317 Входное сопротивление биполярного транзистора
Uвх = Uбэ
Iвх = Iб
Uвх
Iвх
h11
rб
rэ
Iвх =
Iб
h11 =
rб +
(В+1)·rэ
По сопротивлению rЭ течет ток эмиттера и
базы.
Ток эмиттера в (В+1) раз больше тока базы.
Iэ
317
Слайд 318 Коэффициент передачи по току для схемы включения ОЭ
318
h21·IВХ
h22
IВЫХ
В·Iб
rЭ
IК
Э
Принимая во внимание, что rЭ
rK, изменим схему
В·Iб
IК
Слайд 319h21 = В,
э
где В – статический коэффициент передачи
тока базы.
h21 = α,
б
где α – статический коэффициент
передачи тока эмиттера.
319
Слайд 320320
h21·IВХ
h22
IВЫХ
h22 =
э
1
rк
*
- дифференциальное сопротивление
коллекторной цепи транзистора
В·Iб
IК
Слайд 321связь между параметрами
h21 = В,
э
h21 =
α,
б
h22 =
э
1
rк
*
321
h11 =
rб +
(В+1)·rэ
h12
=
э
rэ
rк
*
(В+1)
- Входное сопротивление
Слайд 322Способы получения h- параметров
h-параметры можно получить экспериментально:
прямым измерением,
с помощью вольт-амперных характеристик.
322
Слайд 323Способы получения h- параметров
с помощью вольт-амперных характеристик.
UКЭ = 5В
323
Uкэ
= 0В
∆Iб =
(0,4-0,2)=0,2 мА
∆Uбэ
∆Uбэ
′
∆Uкэ = (5В – 0В)=
5В
В UБЭ
мА IБ
0
0,2
0,1
0,6
0,5
1,0
0,4
0,3
∆Uбэ = 50мВ
∆Uбэ = 0,15В
′
∆Iб
Слайд 324Способы получения h- параметров
0,2 мА
0,150В
324
= 0,03
5В
h11 =
50
мВ
= = 250 Ом.
h12 =
∆UКЭ
∆Uбэ
′
=
h21 =
∆Iб
∆IK
4 мА
0,05 мА
= 80
=
Слайд 325Способы получения h- параметров
с помощью вольт-амперных характеристик.
325
∆Uкэ
Iк
Uкэ
∆IК =
∆Iб =
∆Iк
Iб
″
–
′
IК
”
*
*
*
*
Uкэ = 5B
Uкэ = 10B
∆Uкэ
= (10B – 5B)=5В
Слайд 326Получение h- параметров с помощью
вольт-амперных характеристик
гэ = φт/IЭ =0,026/IЭ.
∆Iб
∆Iк
∆Uбэ
∆Uкэ
h11 =
∆Uбэ
∆Iб
h12 =
∆Uбэ
′
∆Uкэ
∆Uкэ = [Uк = 5В] – [Uк =
0В] = 5B
′
′
Входная характеристика
Выходная характеристика
h21 = = В
∆Iк
∆Iб
h22 = =
∆Iк
′
∆Uкэ
1
rк
*
Слайд 327 ВАХ транзистора существенно нелинейные.
Поэтому значение h-параметров зависит от
точки, в которой они определяются.
Изменение температуры также влияет
на вид и положение ВАХ транзистора.
Поэтому значение h-параметров зависит и от температуры.
Эти зависимости приводятся в справочной литературе.
В справочной литературе приводятся также таблицы переводов из одной системы параметров в другие системы, для схемы включения транзистора ОБ и ОЭ.
h- параметры
327
Слайд 328Первый отечественный транзистор П1
144
Слайд 329Усилитель в интегральном исполнении
327
Слайд 330 Тема 4. Полевые транзисторы
Литература
1. Миловзоров О.В., Электроника: Учебник для
вузов.
/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая школа, 2004.
Идея работы полевого транзистора была высказана в 1930 г.
В 1952 г. принцип работы удалось реализовать японскому ученому Есаки.
327
Слайд 331полевые транзисторы
Полупроводниковый электропреобразовательный прибор, способный усиливать
мощность электрических сигналов.
Особенность работы транзисторов состоит в
том, что:
- выходной ток управляется с помощью электрического поля,
- в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.
328
Слайд 332полевые транзисторы
Электрическое поле является управляющим,
выходной ток является управляемым.
В англоязычной литературе эти транзисторы
называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).
329
транзисторы
биполярные
полевые
Слайд 3334.1 Классификация ПТ
ПТ
с p-n-переходом
МДП-транзистор
n-канальный
р-канальный
встроен. канал
индуцир.
канал
n-канальный
n-канальный
р-канальный
МДП - металл, диэлектрик, полупроводник
330
МЕП-
МЕП –
металл, полупроводник
Слайд 334Классификация ПТ
- с управляющим p-n-переходом,
с изоляцией диэлектриком - МДП-транзисторы.
В зависимости от того, как изолирован управляющий электрод от управляемого
токопроводящего канала различают транзисторы:
Если в качестве изолятора используется двуокись кремния SiO2, то транзистор называют
МОП-структурой
(металл-окисел-полупроводник).
329
Слайд 335Классификация ПТ
- индуцированный канал.
- n-типа (n-канальные),
- р-типа (р-канальные).
В зависимости от конструктивного исполнения проводящего канала различают МДП транзисторы:
встроенный канал,
В зависимости от того, какие носители являются переносчиками тока, различают:
Встроенный канал организуется при технологическом изготовлении транзистора.
Индуцированный канал образуется во время работы транзистора.
330
Слайд 3364.2 Принцип работы ПТ
Структура ПТ с управляющим
p-n-переходом
ПТ представляет собой пластину слаболегированного полупроводника n-типа, на
боковой грани которой сформирована область обогащенного полупроводника
р-типа. Эти области образуют p-n-переход.
Сток (С)
Исток (И)
Затвор (З)
р
n-
+
р-n-
Канал
+ Uси
Uзи –
+
–
Ic
331
–
Слайд 337+
Электрод, через который в канал втекают носители
тока называется исток (и).
Электрод, через который
носители тока вытекают из канала – сток.
Электрод, называемый затвором, предназначен для регулирования поперечного сечения канала .
330
Слайд 338+
Концентрация носителей n-типа в канале много меньше
концентрации дырок в области затвора.
Поэтому область p-n-перехода, обедненная носителями, будет
располагаться в основном, в канале.
333
Слайд 339 Подключим к структуре внешние источники напряжения.
Управляющий p-n-переход включен в обратном направлении и имеет высокое сопротивление.
Принцип действия такого транзистора заключается в том, что при изменении напряжения на затворе изменяется толщина обедненного слоя, а следовательно,
изменяется сечение канала, проводимость канала и ток стока.
Т.е. изменением напряжения на затворе можно управлять током стока.
334
Слайд 340 При некотором напряжении Uзи канал полностью перекроется
обедненной областью
p-n-перехода и ток стока уменьшится до нуля.
Это напряжение является параметром транзистора и называется напряжением отсечки тока стока Uзи.отс.
335
Слайд 341 Примем Uзи = 0. При небольших напряжениях сток-исток
Uси канал ведет себя как линейное сопротивление. По мере роста
напряжения обедненный слой будет расширяться, причем около стока в большей мере, чем около истока. Сечение канала будет уменьшаться и рост тока замедлится.
Начиная с напряжения Uси = Uзи.отс в транзисторе будет наблюдаться режим насыщения. Этот эффект называют эффектом модуляции длины канала.
336
Слайд 3424.3 Вольт-амперные характеристики ПТ
Основными статическими характеристиками полевого транзистора
являются:
выходная или стоковая
Ic = ƒ(Uси, Uзи),
передаточная или стокозатворная
Ic = ƒ(Uзи, Uси) .
337
Слайд 3434.3 Вольт-амперные характеристики ПТ
Выходная ВАХ Ic = ƒ(Uси,
Uзи)
Ic, мА
Uси, В
4
2
4 8 12
16 20
Uси.проб.
Uзи = 0
Uзи = 0,5В
Uзи = 1,0В
Uзи = 1,5В
Ic.нач
338
ЛО
Область пробоя
ОО
АО
Слайд 344Вольт-амперные характеристики ПТ
Выходная ВАХ Ic = ƒ(Uси, Uзи)
Характеризуется напряжением
Uси.проб.
339
ЛО – линейная область. Она определяется сопротивлением канала.
Область пробоя
– возникает электрический пробой канала.
ОО – область отсечки тока стока, ток стока уменьшается до нуля.
Слайд 345Выходная ВАХ Ic = ƒ(Uси, Uзи)
340
АО – активная область (область
насыщения), в ней транзистор работает в режиме усиления электрических сигналов.
Слайд 346Вольт-амперные характеристики ПТ
Стокозатворная характеристика Ic = ƒ(Uзи, Uси)
Uзи В
Ic мА
4
2
Ic.нач
- 2,0 - 1,0
Uси
= 10В
Uси = 5В
∆Uзи
∆Ic
∆Uси
Эта характеристика хорошо описывается выражением
Ic =
Ic.нач (1 -
Uзи
Uзи.отс
)
2
•
341
Слайд 3474.4 Параметры ПТ
В общем случае ВАХ транзистора
являются нелинейными.
Однако при небольших значениях переменных составляющих напряжений и
токов полевой транзистор можно считать линейным элементом.
342
Слайд 3484.4 Параметры ПТ
Крутизна S =
∆Ic
∆Uзи
Uси = const
мА
В
[
]
343
Ic мА
Uзи В
4
2
- 2,0
- 1,0
Uси = 10В
Uси = 5В
∆Uзи
∆Ic
∆Uси
•
1.
Слайд 349344
Ic мА
Uзи В
4
2
- 2,0
- 1,0
Uси = 10В
Uси = 5В
Uзи
∆Ic
∆Uси
•
2.
дифференциальное сопротивление сток-исток
rси =
∆Ic
Uзи = const
[Ом ]
∆Uси
Слайд 350345
Ic мА
Uзи В
4
2
- 2,0
- 1,0
Uси = 10В
Uси = 5В
∆Uзи
Ic
∆Uси
•
3.
- коэффициент усиления по
напряжению
μ =
∆Uси
∆Uзи
Iс = const
Слайд 351Малосигнальные параметры связаны соотношением
μ =
S
•
rси
Параметры транзистора можно определить экспериментально, как показано на входной
ВАХ.
Значение параметров зависит от точки ВАХ, в которой они определялись.
Для данного типа транзистора
S = 2.2 [мА\В], μ = 12.
346
Слайд 352 В рабочем режиме в цепи затвора протекает
ток обратносмещенного p-n-перехода, составляющий единицы наноампер.
Полевой транзистор
имеет высокое входное сопротивление, что является одним из основных его достоинств.
347
Слайд 3534.5 Полевые транзисторы с изолированным затвором
В транзисторах этого
типа затвор отделен от полупроводника (канала) слоем диэлектрика.
Если используется
двуокись кремния SiO2, то такие транзисторы обозначаются аббревиатурой
МОП-транзисторы.
348
МДП-транзисторы
Встроенный канал
Индуцированный канал
n-канальный
р-канальный
Слайд 354Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП - транзисторы делятся
на два типа:
- со встроенным каналом (обедненного типа),
- с индуцированным
каналом (обогащенного типа).
Канал может быть n-типа или р-типа.
349
Слайд 355МДП - транзистор со встроенным каналом
Транзистор может работать в двух
режимах:
- обеднения,
- обогащения.
350
У транзисторов данного типа канал формируется технологическим путем
во время производства.
Слайд 356МДП - транзистор со встроенным каналом
Металл Al
SiO2
p-типа
канал n-типа
П -подложка
С
И
З
p-
-
+ Uси
- Uзи
Ic
351
Слайд 357Встроенный канал
Режим обеднения.
На затвор подается отрицательное
напряжение по отношению к истоку.
Под действием электрического
поля электроны выталкиваются из подзатворной области, канал обедняется носителями и ток стока уменьшается.
Режим обогащения.
На затвор подается положительное напряжение по отношению к истоку.
Под действием электрического поля электроны втягиваются в подзатворную область, канал обогащается носителями и ток стока увеличивается.
352
Слайд 358Встроенный канал
В схемотехнике транзистор используется в качестве
-
усилителя гармонических сигналов,
управляемого напряжением сопротивления,
источника тока.
В основном транзистор работает в режиме обеднения.
353
Слайд 359МДП - транзисторы с индуцированным каналом
С
И
З
Металл Al
SiO2
n-
n-типа
p -
+
p -
+
П -
подложка
+ - Uси
- Uзи
Ic
Транзистор может работать только в режиме обогащения.
354
Индуцированный канал р-типа
Слайд 360МДП транзисторы с индуцированным каналом
Режим обогащения.
На
затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.
Под действием электрического поля электроны выталкиваются из подзатворной области, канал обогащается носителями
р-типа и образуется канал, начинает протекать ток стока.
До некоторого порогового напряжения UПОР канал отсутствует и транзистор закрыт.
355
Канал формируется во время работы транзистора.
Слайд 361МЕП транзисторы
МЕП - металл-полупроводник
В последнее время широкое распространение
получили полевые транзисторы с управляющим
p-n-переходом.
Металлический затвор с
полупроводником канала образует барьер Шоттки.
Канал n-типа образуется обедненной областью барьера.
Транзистор этого типа может работать как в режиме обеднения так и в режиме обогащения.
356
Слайд 362МЕП - транзисторы (металл-полупроводник)
С
И
З
Металл Al
SiO2
p-
p-типа GaAs
П -подложка
канал n-типа
Транзисторы
используются в мощных быстродействующих устройствах
357
Слайд 363Обобщенная стокозатворная характеристика
транзисторов различного типа
Полевые транзисторы с изолированным затвором
+UЗИ
Ic
Uзи.отс
UПОР
П
З
И
П
З
С
И
З
n-канал
р-канал
358
Слайд 364Обобщенная стокозатворная характеристика
транзисторов различного типа
Полевые транзисторы с изолированным затвором
+UЗИ
Ic
Uзи.отс
UПОР
П
З
И
П
З
П
С
И
З
П
З
И
n-канал
р-канал
359
Слайд 3654.6 Ячейка памяти на основе МОП-транзистора
Используются транзисторы с
индуцированным каналом.
Предназначены для создания быстродействующей программируемой запоминающей ячейки
флэш-памяти.
Позволяет производить электрическую запись и стирание одного бита информации.
Эти устройства являются энергонезависимыми. Информация не стирается при отключении питания.
360
Слайд 366Ячейка памяти на основе МОП-транзистора
Упрощенная структура ячейки флэш-памяти
С
И
З
SiO2
p-
p-типа GaAs
П -подложка
Нитрид кремния
Si3N4
361
«Плавающий
затвор»
Слайд 367ячейка флэш-памяти
362
При этом получится элемент памяти: если внутренний
плавающий затвор не заряжен отрицательно, то, подавая на внешний управляющий
затвор положительное напряжение, можно переводить МОП-транзистор в проводящее состояние создавая в основании инверсионный
n-слой (записав в него тем самым логический 0).
Слайд 368ячейка флэш-памяти
При записи информации в ячейку памяти
на затвор подается импульс напряжения.
В результате происходит пробой тонкого
слоя изоляции. Электроны получают дополнительную энергию и туннельным эффектом переходят в плавающий затвор. Затвор заряжается отрицательно. Пороговое напряжение увеличивается.
При обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю). Это соответствует записи одного бита – логической единицы.
363
Слайд 369ячейка флэш-памяти
Циклов записи-считывания может быть сотни тысяч.
Записанное
состояние ячейки может храниться десятки лет.
364
UПОРо
Ic
-UЗИ
UВХ
t
Слайд 370ячейка флэш-памяти
365
При создании интегральной схемы памяти
МОП -транзисторы с плавающим
затвором очень часто выполняются в едином технологическом цикле в паре
с обычным
МОП-транзистором с управляющим затвором.
С2
И2
n-
p -
С1
И1
З
Слайд 371ячейка флэш-памяти
366
В такой схеме транзистор VТ1
служит для считывания информации, записанной в транзистор с плавающим затвором
VT2.
Для этого с адресной шины подают на затвор транзистора VT1 импульс отрицательной полярности, переводящий его в проводящее состояние и разрешающий тем самым чтение записанной в транзисторе VТ2 информации,
а сток при этом должен быть подключен к шине данных.
Слайд 372313
Включение репрограммируемой ячейки ПЗУ
ША
D
Еп
VT1
VT2
VT3
И2
С1
Слайд 3734.7 Эквивалентные схемы полевого транзистора
Используются в основном
две схемы:
Физическая эквивалентная схема,
Схема в Y- параметрах.
Наиболее универсальна физическая эквивалентная схема. Она учитывает переменную составляющую токов и напряжений.
368
С
Исток (И)
Затвор
●
rC
rИ
СЗC
СЗИ
Слайд 374Эквивалентные схемы полевого транзистора
Наиболее универсальна физическая эквивалентная
схема.
Сзи
Сзс
С
З
И
rС
rИ
S·Uзи
S – крутизна,
rС - сопротивление участка
канала от стока
до средины,
rИ – сопротивление участка канала от средины до истока.
Сзс – распределенные емкости затвор-канал.
369
Слайд 375Модели полевого транзистора
При проведении предварительного анализа электронной схемы
используется упрощенная модель
S·Uзи
rк
iз = 0
Uзи
~
iс
Uси
~
iс = -
~
S·Uзи
~
С
и
370
Слайд 376Модели полевого транзистора
Модель в Y- параметрах
Y21·Uзи
Y22
iз = Y11·Uзи
+ Y12·Uси
ic = Y21·Uзи + Y22·Ucи
Uзи
Uси
С
и
Y12·Ucи
Y11
Y- параметры можно получить
экспериментально
З
Слайд 3774.8 Классификация и система обозначений
Классификация полевых транзисторов аналогична
классификации биполярных транзисторов.
Второй элемент – класс прибора –
П – полевой транзистор.
КП303Б – кремниевый, полевой транзистор, малой мощности (до 0,3Вт),
с граничной частотой до 30 мГц,
номер разработки 03,
разновидность в сери – Б.
Слайд 378Система обозначений полевого транзистора
Транзистор с управляющим p-n-переходом
С
И
З
n-канальный
р-типа
Транзистор со встроенным каналом
n-канальный
П
р-канальный
П
Транзистор
с индуцированным каналом
n-канальный
П
З
З
И
Подложку П технологически
соединяют с истоком.
Иногда подложку выводят отдельным выводом.
Слайд 3825.1 Тиристоры
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более
p-n-переходами
В зависимости от числа выводов
тиристоры делят
на
диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода,
триодные (тиристоры), имеющие выводы от анода, катода и одной из баз,
тетродные, имеющие выводы от всех областей.
337
Слайд 383Тиристоры
В процессе работы тиристор может находиться в
одном из двух возможных состояний:
- закрыт,
- открыт.
В первом из
них тиристор выключен или закрыт.
В этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток в нагрузке практически равен нулю.
Это соответствует разомкнутому электромеханическому контакту
338
HL
K
EП
+
--
Слайд 384Тиристоры
Во втором состоянии тиристор включен или открыт.
В этом
состоянии тиристор имеет малое сопротивление и ток в цепи определяется
сопротивлением нагрузки.
Это соответствует замкнутому электромеханическому контакту
339
HL
K
EП
+
--
Слайд 385
5.2 Устройство тиристора
ЕП
Катод
УЭ1
П1
П3
П2
Управляющие
электроды
УЭ2
Анод
R
н
n
1
n
2
p
1
p
2
p-n
-
переходы
Iа
– +
340
Слайд 386 Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к
внешнему n-слою - катодом.
Внутренние области р- и n-типа называют
базами.
Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.
341
Слайд 387 Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего
представим его в виде двух биполярных транзисторов
VT1
VT2
Анод
Катод
Iк
I
б1
=
I
к2
I
к1
=
I
б2
α2
П3
p
p
p
n
n
n
VT1
VT2
Анод +
Катод -
П1
П2
П2
Iа
α1
342
Слайд 388На физические процессы в тиристоре основное влияние оказывают два фактора:
зависимость коэффициента передачи по току α от тока эмиттера,
лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода, обусловленное наличием положительной обратной связи.
343
Слайд 389 При положительном напряжении на аноде крайние переходы
П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный
переход
П2 - в обратном. Поэтому ток динистора будет малым (Ia ≈ 0) он обусловлен обратным током коллекторного перехода.
Этот переход является коллектором для
обоих транзисторов.
Через переход П1 будет протекать ток инжекции дырок и электронов I1 = I1p + I1n,
через переход П3 ток I3 = I3p + I3n.
5.3 Динистор
344
Слайд 390динистор
Через коллекторный переход П2 потечет ток, обусловленный дырочной
и электронной составляющими.
I2p = I1·α1, I2n = I3·α2,
a также обратный ток коллектора
IК0 = IК0р + IК0n
Общий ток I2 = I1·α1 + I3·α2 +IК0.
345
Слайд 391динистор
Токи через переходы, включенные последовательно, должны быть одинаковы
I1 = I2 = I3 = I
I =
IК0
1 – (α1 + α2)
Обратный ток коллектора описывается
экспоненциальной зависимостью.
346
Слайд 392динистор
Пока напряжение на аноде относительно не велико,
ток динистора будут определяться обратным током коллектора.
При этом (α1 +
α2) << 1.
При увеличении напряжения на аноде и достижения им напряжения пробоя начинается процесс лавинного пробоя и умножения носителей n- и р-типа вследствие ударной ионизации.
Слайд 393динистор
В базе они накапливаются и уменьшают высоту
потенциального барьера. Увеличиваются токи эмиттеров, увеличивается ток коллектора. При этом
увеличиваются коэффициенты α, что ведет
к дальнейшему увеличению токов. Включается механизм положительной обратной связи.
При (α1 + α2) 1 ток увеличивается до бесконечности.
Это означает, что коллекторный
переход открылся, его
сопротивление уменьшилось, уменьшилось напряжение на динисторе до
0,5 – 1,0 В.
I =
IК0
1 – (α1 + α2)
Слайд 394
динистор
Вольт-амперная характеристика динистора
Ia
UА
UВКЛ
349
RH
+EП
UA
A
K
*
UОБР
UВЫКЛ
Iaдоп
Рaдоп
Слайд 395
динистор
350
Динисторы применяются в быстродействующих системах защиты схем, нагрузки от
перенапряжения.
При превышении напряжением + ЕП напряжения включения
UВКЛ на аноде динистор включается и напряжение на нем уменьшается до
0,5 – 1,0 Вольта.
RH
+EП
FU
Д
*
А
Слайд 3965.4 Тиристор
Тиристор – полупроводниковый переключательный прибор, имеющий
дополнительный вывод от одной из баз эквивалентного транзистора.
Электрод называется управляющим.
Управление может быть относительно катода или анода.
Iа =
IК0
1 – (α1 + Iу·α2)
Если Iу = 0, то тиристор работает как динистор.
Рассмотрим управление по катоду
Управление по катоду
р1
n1
p2
n2
RН
A
K
Uу
УЭ
Iу
+
ЕП
Iа =
IК0
1 – (α1 + Iу·α2)
При Iу > 0, тиристор
включается при меньшем
напряжении на аноде.
Iа
Слайд 398Тиристоры
Вольт-амперная характеристика тиристора
Ia
Ua
Uвкл| при IУ =
0
Iу = 0
Iу > 0
Iу > 0
′
′′
I у >
′′
I у
′
Uоткл
Iвкл
Uобр
Ра.доп
Iа.доп
Параметры:
- Uвкл,
- Iвкл
- Uоткл
- Uобр
- Iа.доп
- Ра.доп
- tвкл
- tвыкл
Uвкл| при IУ > 0
Слайд 399Тиристоры
Включенный тиристор с помощью тока управления выключить
нельзя.
Для выключения тиристора необходимо уменьшить напряжение на аноде
до напряжения отключения или ток анода уменьшить меньше тока выключения.
В последнее время разработаны полностью управляемые тиристоры.
На обратной ветви ВАХ рассмотренного эффекта не наблюдается.
Слайд 4005.5 Симисторы
В силовой преобразовательной технике широко
используются симметричные тиристоры – симисторы, триаки.
Каждый симистор подобен паре
рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно.
Их особенность состоит в том, что они управляемые как при положительном, так и при отрицательном напряжениях на анодах.
354
Слайд 401Симисторы
Условное графическое обозначение симистора
355
А
А
К
К
УЭ
УЭ
Слайд 402
Симисторы
Вольт-амперная характеристика симистора
Ua
357
- UВКЛ
+ UВКЛ
Слайд 403
5.6 Классификация и система обозначений
В основу обозначений тиристоров положен
буквенно-цифровой код
Первый элемент – исходный материал.
Второй
элемент – вид прибора:
Н – диодный тиристор – динистор
(Н - неуправляемый),
У – триодный тиристор – (У - управляемый).
358
Слайд 404
Классификация и система обозначений
Третий элемент обозначает
основные функциональные возможности прибора и номер разработки
От 101 до 199
– диодные и незапираемые триодные тиристоры малой мощности.
От 401 до 499 – триодные запираемые тиристоры средней мощности,
Iср до 10 А.
Четвертый элемент – буква – обозначает типономинал прибора.
359
Слайд 405
Классификация и система обозначений
360
КН102Б – кремниевый, неуправляемый, малой
мощности, 02 разработки, разновидности Б.
КУ201К - кремниевый, управляемый, средней
мощности, 01 разработки, разновидности К.
Слайд 406
Классификация и система обозначений
Для мощных тиристоров имеется
своя классификация.
Пример условного обозначения
ТЛ171-320-10-6
тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение – штыревое с гибкими катодными выводами, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повоторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс.
361
Слайд 407Графическое обозначение тиристоров
Динистор
Тиристор
Симистор
управление по катоду
и по аноду
А
А
А
К
К
К
УЭ
УЭ
Слайд 4085.7 Применение тиристоров
Тиристоры применяются в силовых преобразователях электрической энергии:
- управляемые выпрямители,
- конверторы,
- в устройствах управления электроприводом.
Существуют фототиристоры, управляемые с помощью оптронов.
Они позволяют осуществить гальваническую развязку информационной маломощной системы управления от силовой части.
360
Слайд 409Применение тиристоров
Тиристоры применяются в управляемых выпрямителях.
364
В
ряде случаев требуется не только преобразование переменного напряжения в постоянное,
но и плавное регулирование выходного выпрямленного напряжения.
Наиболее экономичным способом является применение управляемых диодов - тиристоров.
Такие преобразователи называются регуляторами.
Под управлением подразумевается внешнее управление в том числе и автоматизированное.
Слайд 410Применение тиристоров
365
Простая схема регулятора.
U1
= Umsinωt
U2
Т
Д1
Д2
RH
CУ
Uу
iн
СУ – схема управления.
U1
Слайд 411Применение тиристоров
366
Система управления формирует синхронно с напряжением
U1 импульсы управления, фаза которых относительно напряжения U2 может регулироваться.
Тиристоры открываются и пропускают импульс тока при положительной полуволне на аноде и поступлении импульса тока на управляющий электрод.
Слайд 412Применение тиристоров
367
Нагрузка RН подключена к средней
точке трансформатора,
поэтому если на аноде Д1 действует положительная полуволна напряжения
U2, то на аноде Д2 действует отрицательная полуволна и диод Д2 закрыт.
В следующий полупериод Д1 закрывается,
а Д2 – открывается.
Таким образом, по нагрузке протекают импульсы тока в оба полупериода напряжения U2.
Слайд 413Применение тиристоров
368
Регулирование выпрямленного напряжения заключается в изменении
момента включения тиристора.
Угол сдвига фазы между напряжением
включения тиристора и напряжением U2 называется углом управления и обозначается символом α.
Слайд 414Применение тиристоров
369
U2m
t1
t2
t3
t
Uу
Uн
Iн
α
Uн.ср, Iн.ср
t1
t0
Слайд 415Применение тиристоров
370
Угол α изменяется и изменяется площадь
по кривой синусоиды, изменяется среднее значение выпрямленного напряжения.
От
момента to до момента t1 оба тиристора закрыты и ток в нагрузку не течет.
В момент времени t1 открывается тиристор 1 и по нему и по нагрузке течет импульс тока до момента времени t2.
В момент времени t3 открывается тиристор 2 и по нему и по нагрузке течет импульс тока в течение второго полупериода напряжения U2.
Слайд 416Применение тиристоров
МК
R
SITAC
RН
~
220 В
5 В
371
Слайд 418Тема 6. Усилительный каскад
на транзисторе
Литература
1. Миловзоров О.В., Электроника:
Учебник для вузов.
/О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. М.: Высшая
школа, 2004.
2. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб.пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000 г.
370
Слайд 419Усилители
Частный случай управления потоком электрической энергии от
источника питания к нагрузке, при котором путем затраты небольшого ее
количества можно управлять энергией во много раз большей, называется усилением.
Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.
6.1 Общие положения
368
напряжение или ток, определенным образом изменяющиеся во времени
Простейший сигнал: U(t)
= Um·sin(ωt+φ)
ω = 2π f ; f = 1/T;
Uэф = Uд = Um/√2 = 0.707·Um,
где: Um – максимальное амплитудное значение сигнала;
Uд – действующее значение сигнала;
ω -- угловая частота сигнала;
f – частота сигнала;
Т – период сигнала;
φ – фазовый сдвиг.
Такой сигнал содержит всего одну гармонику.
369
Слайд 421Усилители
Более сложный сигнал - импульсный
f = 1/T;
f – частота сигнала;
Такой сигнал содержит спектр нечетных гармоник.
370
Um
t
tИ
Т – период сигнала
А
tП
Слайд 422Усилители
В зависимости от формы усиливаемого сигнала
различают:
- усилитель гармонических сигналов,
- усилитель импульсных сигналов.
В цифровой технике все усилители являются импульсными.
В зависимости от характера нагрузки различают усилители:
- напряжения,
- тока,
- мощности.
371
Слайд 423Усилители
Далее будем рассматривать только усилители напряжения, работающие
с сигналом малой амплитуды, синусоидальной формы.
372
Слайд 424Усилители
Усилитель
Источник питания
Помехи
Источник сигнала
Нагрузка усилителя
Общая структурная схема
Источник сигнала – например,
микрофон,
Нагрузка усилителя – например, электродинамический преобразователь,
Источник питания – батарея, аккумулятор,
Помехи
– воздействие температуры, старение элементов
373
Слайд 425Усилители
Общая структурная схема усилителя
Требования к усилителю:
процесс управления должен
быть непрерывным,
линейным,
однозначным.
o
o
o
o
Слайд 426Усилители
Параметры усилителя
-- Коэффициент усиления:
- по напряжению КU
= UВЫХ/UВХ,
- по току КI = IВЫХ/IВХ,
- по
мощности КР = РВЫХ/РВХ
( Рвх – мощность источника сигнала,
Рвых – мощность, выделяющаяся в нагрузке усилителя).
Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:
Кu [ дБ] = 20 lg(UВЫХ / UВХ).
375
Слайд 427Параметры усилителя
-- Входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:
Rвх = Uвх/Iвх,
Rвых = ∆Uвых/∆Iвых,
где Uвх и Iвх - амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя,
∆Uвых и ∆Iвых – приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.
376
Слайд 428Усилители
Основная характеристика усилителя
-- Амплитудная характеристика
( передаточная)
Зависимость амплитуды выходного напряжения
(тока) от амплитуды входного напряжения (тока).
Uвых = f(Uвх)
Лекция 12
Слайд 429Усилители
∆Uвх
∆Uвых
UВХ
Параметры
КU = ∆Uвых / ∆Uвх
КI = ∆Iвых / ∆Iвх
КP
= Pвых / Pвх
UВЫХ
Графическое представление амплитудной характеристики
Uвых = f(Uвх)
378
K(jω)
= Кu(ω)·e
jφ(ω)
Слайд 430Усилители
∆Uвх
∆Uвых
UВХ
Параметры
КU = ∆Uвых / ∆Uвх
КI = ∆Iвых / ∆Iвх
КP
= Pвых / Pвх
UВЫХ
Амплитудная характеристика усилителя
для сигнала постоянного
тока
Uвых = f(Uвх)
379
Слайд 4316.2 Включение транзистора
в схему усилительного каскада
Усилительный каскад – электронное устройство, предназначенное для усиления мощности электрических
сигналов.
Каскад содержит:
- активные элементы – транзисторы,
- пассивные элементы – резисторы,
конденсаторы, индуктивности, элементы
соединения, а также источник питания.
Слайд 432Транзистор в каскаде включают тремя способами:
С
И
З
З
С
Б
К
Э
ОК
ОБ
ОЭ
ОИ
ОЗ
ОС
«общий» электрод является
общим для входной цепи и для выходной.
Слайд 433 Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных
типа усилительных каскадов:
- с общим эмиттером ОЭ (общим истоком),
- с общей базой ОБ (или с общим затвором),
- с общим коллектором ОК.
Различные многокаскадные усилители и каскадные схемы являются комбинациями перечисленных усилительных каскадов.
433
Слайд 434 Независимо от типа активного элемента и способа его
включения принцип усиления остается единым. Он сводится к тому, что
в цепи, в состав которой входит активный элемент устанавливаются постоянные токи.
Это состояние называют режим работы транзистора.
Режим работы транзистора называют также начальный режим, статический режим, режим по постоянному току, режим покоя.
Он характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами.
434
Слайд 435 При подаче сигнала на управляющий вход активного элемента,
ток в цепях начинает изменяться. Это изменение тока создает изменение
напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада.
Это напряжение и является выходным усиленным напряжением усилительного каскада.
435
Когда рассматриваются изменения токов или напряжений, вызванные входным сигналом,
то говорят, что это режим по переменному току или режим малого сигнала.
Слайд 436
Режим работы транзистора
Для нормальной работы любого усилительного
каскада необходимо установить заданные токи и напряжения на активном приборе
(установить требуемый режим).
Требуемый режим задается:
- заданием «сверху» - техническим заданием заказчика,
- условиями работы устройства в будущем,
- требованиями экономичности, надежности,
- прочими требованиями.
436
Слайд 437
Режим работы транзистора
Для обеспечения этих требований необходима
электрическая модель каскада, на основании которой можно произвести анализ и
синтез.
Все усилительные каскады на одном активном элементе приводят к эквивалентной схеме.
437
Слайд 438Эквивалентная схема
438
UУПР
IУПР
R1
I0
U0
+ ЕП
АЭ
R1
I0
U0
+ ЕП
Ri
Ri >> R1
UC
Получили делитель напряжения
на сопротивлениях, одно из которых Ri является переменным.
Слайд 439Эквивалентная схема
439
Ri >> R1
R1
I0
U0
+ ЕП
Ri
UC
Величина сопротивления Ri определяется управляющим сигналом.
Если Ri → 0, то U0 → 0,
R1
I0
U0
+ ЕП
UC
Если Ri
→ ∞, то U0 → ЕП.
→
Слайд 440Эквивалентная схема
440
Определение тока и падение напряжения нелинейной
цепи производится графоаналитическим способом.
В общем случае вольт-амперная
характеристика сопротивления R1 также может быть нелинейной.
В качестве переменного сопротивления используется транзистор. Его вольт-амперные характеристики являются существенно нелинейными.
Слайд 441
Режим работы транзистора задается с помощью двух схем:
фиксированный ток
базы,
фиксированное напряжение базы.
Uбэ
Режим работы транзистора
Рассмотрим
схему фиксированный ток базы
Rб
Iб
Rк
+ Ек
441
- Ек
Iб
Uбэ
Uкэ > 0
Слайд 442
Режим работы транзистора
391
Введем понятие «общая точка схемы» и
обозначим ее символом
Условимся:
- потенциал общей точки схем равен
нулю,
- все напряжения отсчитываем от нулевого потенциала,
- далее символ -ЕК не показываем,
- постоянные токи текут от положительного потенциала к отрицательному.
Слайд 443
Режим работы транзистора
392
Ток базы
Iб =
ЕК
Rб
–
Uбэ
Rб
Напряжение
Uбэ
≈
ЕК
Rб
В данной схеме ток базы
задается величинами
т.е.
«зафиксирован» и не
зависит от транзистора.
ЕК,
Rб,
Напряжение Uбэ = (0,6-0,7)В, EК = (10-15)В.
Uбэ
Rб
Iб
RК
+ ЕК
- Ек
Слайд 444
Режим работы транзистора
444
Напряжение Uбэ = (0,6-0,8)В, EК = (10-15)В.
UКЭ = 5В
В UБЭ
мА IБ
0
0,2
0,1
0,6
0,5
1,0
0,4
0,3
0,7
Iб =
0,3 мА
●
UБЭ = 0,7 В
Слайд 445
Режим работы транзистора
445
Iб =
Сопротивление Rб является нагрузкой для
перехода «база-эмиттер». Для него также можно построить нагрузочную прямую по
двум точкам.
В UБЭ
мА IБ
0,2
0,1
0,6
0,5
0,8
0,4
0,3
0,7
Iб = 0, UБЭ = ЕК.
●
UБЭ = 0, Iб =
РТ
●
Слайд 446
Режим работы транзистора
В усилительных каскадах чаще используется
схема
с ФИКСИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ БАЗЫ.
IД =
ЕК
(Rб1 +
Uбэ
Rб1
Iб
RК
Rб2
IД
+ ЕК
Резисторы
представляют
собой делитель напряжения.
По сопротивлениям течет ток IД.
Rб1,
Rб2
Выберем такие сопротивления,
чтобы ток Iд >> Iб.
Rб2)
- ЕК
Слайд 447
Делитель напряжения
IД =
ЕК
(Rб1 +
UВЫХ
Rб1
Rб2
IД
+ ЕК
Резисторы
представляют собой делитель напряжения.
По
сопротивлениям течет ток IД.
Rб1,
Rб2
Rб2)
- ЕК
UВЫХ < EK
KД =
ЕК
(Rб1 +
Rб2)
Rб2
Слайд 448
Режим работы транзистора
В усилительных каскадах чаще используется
схема
с ФИКСИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ БАЗЫ.
IД =
ЕК
(Rб1 +
Uбэ
Rб1
Iб
RК
Rб2
IД
+ ЕК
Rб2)
Uбэ =
Iд
·Rб2
= ЕК
Rб2
(Rб1 +
Напряжение на базе зафиксировано
делителем напряжения.
Rб2)
- ЕК
Слайд 449 Рассмотрим коллекторную цепь транзистора.
Режим работы транзистора
449
Ri
Iб
RК
IK
IKRi
+
ЕК
примем Ri = 0,
при этом
= 0,
примем Ri >> RK,
при этом ≈ ЕК.
IК·RK
- ЕК
ЕК = IК·RK + IК·Ri
IKRi
IKRi
Слайд 450
Rб1
RK
IK
UКЭ
+ ЕK
На основании закона Кирхгофа
для коллекторной цепи
ЕК = IК·RK
+ UКЭ
Это линейное уравнение прямой (в отрезках) в координатах ток-напряжение.
примем IК = 0,
при этом Uкэ = ЕК,
примем Uкэ = 0,
при этом Iк = ЕК/RK.
IK·RK
450
-
Слайд 451
Прямая строится по двум точкам:
ЕК = IК·RК +
UКЭ
при IК = 0, UКЭ = ЕK,
- при UКЭ = 0, IK = ЕК/RК.
IK
UКЭ
Iб = 0
•
ЕК
IK·RК
Iб
Iб =
″
о
ЕК/RК
рт
α
Н
451
о
Слайд 452452
ЕК = IК·RК + UКЭ
Построенную прямую называют:
линия
нагрузки по постоянному току,
нагрузочная прямая,
нагрузка транзистора по постоянному
току.
Нагрузочную прямую можно построить под углом , который рассчитывается согласно соотношению
α = arc tg (- 1/RК).
α
Слайд 453400
Начальный режим транзистора характеризуется токами и напряжениями
IК, UКЭ, Iб, Uбэ.
Выделим точку пересечения нагрузочной прямой с одной из ВАХ транзистора и назовем ее рабочая точка РТ.
Спроецируем РТ на оси тока и напряжения.
Получим ток коллектора и напряжение на нем.
Для обозначения начального режима введем символ ‘ ‘.
о
о
о
о
о
Слайд 454
Начальный режим работы транзистора
401
Взаимодействие активного элемента
– транзистора и нагрузочной прямой обеспечивает усиление сигнала.
Слайд 455
Начальный режим работы транзистора
402
Влияние элементов схемы и
внешних факторов на положение нагрузочной прямой, рабочей точки и начальный
режим.
1. Увеличение (уменьшение) ЕК приводит к смещению нагрузочной прямой параллельно самой себе.
ЕК
ЕК
Uкэ
IК
Iб = 0
•
рт
•
•
IКнас
IКотс
ЕК < EK
’
’
Слайд 456о
456
2. Изменение величины RК приводит к изменению угла α.
Предельные значения:
RК = 0, α = 900,
UКЭ
IК
Iб = 0
•
IК
о
ЕК/RК
рт
α
RК = 0
UKЭ = ЕК
•
рт
RК →∞,
UКЭ →0.
RК →∞,
UКЭ →0.
UKЭ = ЕК
Слайд 457о
457
3. Увеличение температуры приводит к смещению РТ по нагрузочной прямой.
При этом ток коллектора увеличивается, а напряжение на коллекторе уменьшается.
IК
UКЭ
•
рт
•
UКЭ
Слайд 458458
4. Изменение тока базы приводит к перемещению РТ по нагрузочной
прямой.
Предельные значения тока базы
- Iб = 0
транзистор закрыт.
- Iб = Iб.нас транзистор переходит в режим насыщения и оказывается неуправляемым.
UK=ЕК
ЕК
UКЭ
IК
Iб = 0
•
рт
рт
•
•
Iб = Iб.нас
рт
IКнас
IКотс
Слайд 459
Начальный режим работы транзистора
459
Таким образом, изменение тока
базы приводит к изменению тока коллектора.
Эти токи
связаны соотношением
IК = В·Iб,
В – статический коэффициент передачи тока базы,
его величина составляет В = 50 ÷ 200.
Если изменение тока базы составляет десятые доли мА, то ток коллектора изменяется на десятки миллиампер.
Слайд 460460
Iк
Uкэ
Iб = 0
•
ЕК
IК·RК
Iб
Iб =
″
о
ЕК/RК
рт
Н
RК =
0
RK → ∞
PК доп
IК доп
Слайд 461 Пример
Пусть ЕК = 12 В, RK = 1
кОм
IК = 7 мА
о
о
мА IК
5
В UКЭ,
0
12
8
12
мА
4
15
10
IБ = 200 мкА
IБ = 100 мкА
IБ = 0 мкА
•
UКЭ = 5 В
РТ
о
ЕК
RK
На коллекторных характеристиках строим нагрузочную прямую.
Выбираем положение рабочей точки.
ЕК = IК·RК + UКЭ
Слайд 462При выбранном положении РТ необходимо задать ток базы 100 мкА.
Для этого определим сопротивление Rб.
о
Uбэ
Rб
Iб = 0,1 мА
RK =1K
+ ЕК
IК
= 7 мА
о
UБЭ
мА IБ
0,2
0,1
0,6
0,8
0,4
0,3
0,7
●
РТ
●
Iб
ЕК
Rб ≈
=
20 В
0,1мА
=
200 кОм
0,67
=0,67В
о
UКЭ = 5 В
Слайд 463 При экспериментальном получении ВАХ транзистора используется режим, в
котором
RК = 0.
Такой режим называется статическим.
Параметры, полученные в
таком режиме, называются статическими
h11, h12, h21, h22.
о
Слайд 464 Ячейка усилителя на электронных
лампах.
Вверху виден усилитель в интегральном исполнении, выполняющий функции,
аналогичные ламповому усилителю.
о
Слайд 465Усилитель в интегральном исполнении.
о
Слайд 466 6.3 Методы стабилизации положения РТ
466
Под действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов положение РТ может
измениться настолько, что транзистор окажется в нерабочей области.
Дестабилизирующие факторы:
- основное влияние – изменение температуры,
- дрейф параметров элементов схемы,
- изменение напряжения источника питания ЕК.
Лекция 13
Слайд 467467
Как отмечалось ранее с повышением температуры транзистора его
параметры изменяются таким образом, что приводят к увеличению тока коллектора.
-
Ток удваивается при изменении температуры на каждые 8 -10 градусов.
- Коэффициент В увеличивается при повышении температуры с темпом 3% на градус.
Слайд 468468
При фиксированном напряжении базы с повышением температуры транзистора его
ток
базы увеличивается, ток коллектора также увеличивается на величину В.
Iб
РТ
UБЭ
Uкэ > 0, t = 20 0C
t = 60 0C
Iб
о
Uбэ
о
IK = B∙Iб
Слайд 469469
Используется несколько схем стабилизации:
- эмиттерная стабилизация (обратная
связь по току),
- коллекторная стабилизация (обратная связь по напряжению,
термокомпенсация,
термостатирование.
Слайд 470470
Схема с эмиттерной стабилизацией
а напряжение
остается неизменным.
о
Uб
Rб1
RК
IК
UЭ
Rб2
+
ЕК
Uбэ
Между базой и эмиттером появится напряжение
Uбэ = Uб -
UЭ
IЭ
Uб
о
С повышением температуры ток IК увеличивается, увеличивается напряжение UЭ
RЭ
Iб
о
Включим в эмиттерную цепь транзистора дополнительное сопротивление RЭ.
По нему потечет ток IЭ ≈ IК и появится напряжение UЭ = RЭ·IК.
о
Слайд 471
471
В результате напряжение
уменьшается, что приводит к закрыванию
транзистора и уменьшению тока коллектора.
Полной компенсации влияния температуры
достичь не удается.
UбЭ = Uб - UЭ
о
Iб
РТ
UБЭ
Uкэ > 0
Iб
Uбэ
о
о
Iб
Слайд 472472
Качество стабилизации оценивается
коэффициентом температурной
нестабильности SТ.
SТ
=
В – статический коэффициент передачи тока базы.
В
1 + γ·В
γ
= RЭ//Rб =
Rб·RЭ
Rб + RЭ
Rб = Rб1//Rб2
Слайд 473 Если Rэ = 0,
термостабилизация отсутствует
Если RЭ>> Rб,
= α,
где α ≈ (0,9 – 0,99).
γ = 0,
γ →
1,
SТ =
В
1 + В
SТ =
В.
Таким образом, коэффициент может изменяться в пределах SТ ≈ (1 ÷ 100).
Слайд 474
Стабилизация считается хорошей, если
SТ ≈ (3
÷ 5).
Такое значение коэффициента задают в случае ,
если температура изменяется в диапазоне (60 ÷ 80) С.
о
474
Слайд 475 Пример
Оценим значение коэффициента Sт.
Примем:
Определим:
=
=
эмиттерная стабилизация
положения РТ
- Rб1 = 80К,
Rб2 = 5К,
RЭ
= 0,1К,
В = 50.
Rб = Rб1//Rб2 = 4,7К
γ = RЭ//Rб ≈ 0,1
SТ =
В
1 + γ·В
50
1 + 0,1·50
50
6
= 8,3
Такой коэффициент задают, если температура изменяется в диапазоне 50 С.
о
475
Слайд 476Ток базы, задающий режим транзистора, определяется
напряжением UКЭ и сопротивлением
Rб.
Iб =
коллекторная стабилизация положения РТ
(стабилизация обратной связью по
напряжению)
Rб
Iб
RК
Iк
UКЭ
+ Ек
476
UКЭ
Rб
о
о
о
Слайд 477
коллекторная стабилизация положения РТ
477
IК
UКЭ
Iб = 0
•
ЕК
IК·Rк
ЕК/RК
рт
Н
•
Если по каким-либо причинам ток IК увеличивается, то напряжение
UКЭ уменьшается.
Слайд 478
коллекторная стабилизация положения РТ
478
Но уменьшение тока Iб приводит к
уменьшению тока коллектора.
о
Iб
РТ
UБЭ
Uбэ > 0
Iб
Uбэ
о
о
Iб
IК
= В·Iб
Слайд 479
Термокомпенсация положения РТ
(стабилизация с помощью термозависимых элементов)
Существует несколько способов термокомпенсации.
В интегральной схемотехнике чаще используется рассмотренная
ниже.
С помощью методов термостабилизации не удается полностью застабилизировать положение РТ.
Слайд 480 Включим вместо резистора Rб2 термозависимое сопротивление, например,
терморезистор.
t
о
t
Его температурная характеристика
Термокомпенсация положения РТ
Rб1
RК
IД
R
+ Ек
t0С
R
t
Uб
R
РТ
t
RЭ
Слайд 481
Термокомпенсация положения РТ
С повышением температуры сопротивление терморезистора
уменьшается, уменьшается падение напряжения на нем, т.е. напряжение на базе.
t
о
Rб1
RК
IД
+ЕК
Uб
Uб
=
∙IД
о
Iб
РТ
UБЭ
UКЭ > 0
Iб
Uбэ
о
о
Iб
Слайд 482 В качестве термозависимых элементов в интегральной схемотехнике используют p-n-переход.
Он имеет отрицательный ТКН.
Для
получения низкоомного сопротивления используют переход база-эмиттер.
Для получения высокоомного сопротивления используют переход база-коллектор.
о
Термостабилизация
I
Uпр
пр
0
70
20
C
о
∆Uпр
ТКН = - ∆Uпр/∆Т [мВ/град]
Rб2
Слайд 483 Сопротивление Rэ обеспечивает эмиттерную стабилизацию.
Сопротивление
Rф – коллекторную.
Методы стабилизации положения РТ
могут применяться совместно и не противоречат друг другу.
Rб1
RК
Rб2
+ ЕК
RЭ
RФ
430
Слайд 484484
6.4 Прохождение сигнала через усилительный каскад
Подключим
ко входу усилительного каскада источник сигнала
ЕС = Um·sinωt.
ЕС
о
iб
С1
Rб1
Iб
RК
IК
Rб2
+
ЕК -
iвх
о
~
Uбэ
о
Слайд 485485
На базе транзистора будет действовать два напряжения:
постоянное Uбэ, задаваемое
делителем Rб1, Rб2 необходимое для обеспечения начального режима работы транзистора,
переменное, задаваемое источником сигнала.
Слайд 486486
ЕС = Um·sinωt.
На переходе база-эмиттер действует два напряжения:
Rб
С1
EC
+UбЭ
+UбЭ
+UбЭ
UбЭ
t
EC
EC
h11
iC
IБ
Слайд 487ЕС
о
t
Под действием этих напряжений в цепи базы потечет постоянный ток
и переменный ток , обусловленный
напряжением источника сигнала. Оба тока воздействуют на переход база-эмиттер.
Iб
Uбэ
Uкэ = 5В
РТ
o
Iб2
Iб1
Uбэ
iб(t)
t
m
m
•
•
487
iб(t)
Слайд 488 Входная цепь усилительного каскада
или цепь базы транзистора
Ес
о
iб
С1
Rб1
Iб
Rк
IК
Rб2
+ Ек
iвх
о
Под действием переменного тока базы
начнет изменяться ток коллектора.
Эти токи связаны соотношением iк = В·iб.
iк = В·iб
iк
iб ≈ iвх
488
Rб1//Rб2 >> h11
Слайд 489 В коллекторной цепи также течет ток начального режим
транзистора Iк и переменная составляющая
о
Ток переменной составляющей
замыкается через источник питания ЕК.
Изменение тока коллектора приведет к изменению напряжения на коллекторе.
Таким образом, на коллекторе транзистора также будет действовать постоянное напряжение начального режима и переменная составляющая.
Коллекторная цепь транзистора
iк.
489
Слайд 490490
о
Hа коллекторе будет действовать постоянное напряжение начального режима
и переменная составляющая .
Коллекторная цепь транзистора
+UКЭ
UКЭ
t
UKm
ЕК
UKm
+UКЭ
о
Максимальное значение напряжения UКm может быть UKm < EK/2.
Слайд 491н
о
о
Коллекторная цепь транзистора
IК
Uкэ
Iб = 0
Iб1
′
Iб.нас
Iб
•
″
рт
Iб2
iб(t)
iк(t)
Uк(t)
t
•
•
m
m
439
Слайд 492о
Из построения видно:
предельные значения положения
рабочей точки ограничены характеристиками тока базы
Iб = 0 (точка
о – отсечка коллекторного тока) и Iб = Iб.нас (точка Н - режим насыщения);
максимальное значение амплитуды переменного напряжения ограничено также этими точками и равно
UKm < .
EК
2
Слайд 493
Из построения видно:
- Увеличение напряжения ЕС
точка приводит к увеличению тока базы, что ведет
к уменьшению напряжения на коллекторе
(точка ).
Это значит, что напряжение UК находится в противофазе с напряжением ЕС.
Каскад ОЭ сдвигает (поворачивает) фазу
напряжения ЕС на 180 .
о
m
m
Слайд 494 Из построения следует: амплитудное значение напряжения сигнала равно
10 мВ, амплитудное значение напряжения на коллекторе равно 10 В.
Коэффициент усиления по напряжению
Iк
Iб1
•
В
10
•
Iб2
20
1
•
•
РТ
Iб
Uбэ
Uкэ > 0
620
630
640
•
•
•
мВ
Uкэ
t
t
КU = UК/ EС = 10В/0,01В = 1000
iбm(t)
Слайд 4956.5 Усилительный каскад
Ес
о
iб
С1
Rб1
Iб
RК
IК
Rб2
+ Ек
iвх
о
iк
RС
~
Слайд 496Усилительный каскад
Подключим к каскаду нагрузку по переменному току
Направления токов
показаны условно.
Усилительный
каскад
Нагрузка
каскада
Ес
iб
~
С1
Rб1
RК
Rб2
+ Ек
iвх
iк
С2
СЭ
iн
RЭ
Слайд 497 Примем, что нагрузкой каскада является входное сопротивление аналогичного
каскада.
Часть переменной составляющей тока коллектора ответвляется в
нагрузку iн.
Емкость С1 необходима для отделения источника ЕС от постоянного напряжения на базе транзистора.
Емкость пропускает только переменный ток.
Назначение элементов
446
Слайд 498 Емкость С2 необходима для того, чтобы на базу
транзистора нагрузки не попало постоянное напряжение коллектора UК
Uк
>> Uб.
о
0
Назначение элементов
447
о
С2
СЭ
RЭ
UК
о
Uб
о
Слайд 499 Назначение элементов
Емкость СЭ необходима для
устранения обратной связи для переменного тока эмиттера.
Емкостное сопротивление
447
Сопротивление RЭ обеспечивает обратную связь,
необходимую для стабилизации положения рабочей точки.
Слайд 500о
Емкость выбирается такой, чтобы хорошо выполнялось условие
Переменная составляющая
тока эмиттера
будет протекать через малое сопротивление ХСэ.
По
этому сопротивлению протекает и переменный ток базы.
449
RЭ
СЭ
iэ
Iэ
iэ
iб
Слайд 501 Параметры каскада:
КU, Кi, КP,
RВХ, RВЫХ.
449
Слайд 502 Принципиальная схема каскада
Распределенную нагрузку сосредоточим в одном
сопротивлении
RН.
6.6.1 Усилительный каскад ОЭ
Ес
iб
~
С1
Rб1
RК
Rб2
+
ЕК
iвх
iк
С2
СЭ
iн
RЭ
RН
UВЫХ = UН
UВХ
Слайд 503 Физическая эквивалентная схема замещения транзистора.
Рассматриваем только переменную
составляющую тока коллектора, поэтому генератор IКЭ далее учитывать не
будем.
Каскад ОЭ
В·iб
rб
rэ
iб
UКЭ
Uбэ
К
Б
Э
452
О
iЭ
iК
Слайд 504Эквивалентные схемы замещения транзистора для переменной составляющей токов
В·iб
rб
rэ
iб
UКЭ
Uбэ
К
Б
Э
453
iЭ
iК
h11
h21iвх
h22
UВХ
UВЫХ
iвх
iвых
Слайд 505Разработаем эквивалентную схему замещения каскада для переменной составляющей токов
453
UВЫХ =
UН
Внутреннее сопротивление источника ЕК много меньше сопротивления RK. Поэтому для
переменного тока источник ЕК можно замкнуть.
Точка + оказалась подключенной к общей шине.
+
Слайд 506Каскад ОЭ
455
С1
RС Rб
UВХ
ЕС
Входная цепь
Сопротивления Rб1
и Rб2 включились параллельно.
Rб = Rб1//Rб2
+
Слайд 507Каскад ОЭ
456
С1 Б rб
B·iб
RС Rб
UВХ
rК*
rЭ
К
Э
ЕС
СК
Добавим транзистор
+
Слайд 508Каскад ОЭ
457
С1 Б rб
B·iб
Rc Rб
UВХ
rк*
rэ
С2
К
+ СЭ
Э
RЭ
Ес
СК
Добавим цепь эмиттера
+
Слайд 509Каскад ОЭ
458
С1 Б rб
B·iб
Rc Rб
UВХ
rк*
rэ
С2
К
СЭ
Э
RЭ
ЕС
RК
RН
UВЫХ
СК
Добавим коллекторную цепь
+
Слайд 510458
Каскад ОЭ
Проектирование (синтез) электронных схем сводится к решению
трех задач:
- определение режима по постоянному току, исходя из заданных
условий работы каскада,
- выбор таких элементов каскада, чтобы он обеспечивал заданные параметры
по переменному току (напряжению).
- диагностика (проверка) спроектированного каскада.
Параметры каскада:
КU, Кi, КP, RВХ, RВЫХ.
6.6 Параметры усилительного каскада
Слайд 511Для анализа схемы необходимо получить соотношения, связывающие параметры каскада
с
параметрами схемы.
Введем ограничения:
- транзистор заменили его эквивалентной
схемой,
- рассматриваем только переменные составляющие токов и напряжений,
- значения этих токов и напряжений малы по амплитуде, поэтому эквивалентную схему можно считать линейной.
458
Каскад ОЭ
Слайд 512 Выберем такую частоту и такие величины емкостей, чтобы
емкостные сопротивления оказались много меньше остальных сопротивлений схемы.
Поэтому емкости можно
не учитывать (замкнуть).
ХС =
1
2·π·ƒ С
Каскад ОЭ
Слайд 513Преобразуем схему согласно условиям
Rc
Э
Ес
Rк Rн
Uн =
Uвых
iвх =iб
iвых =iк
ХС1
h11
ХС2
ХС1 << h11
ХС1 = 1/(2πƒC) = 1/(2·π·2кГц·10,0 мкФ) ≈ 8 Ом.
h11 ≈ (500 ÷ 1000) Ом
ХС2 << RН
Слайд 514Поэтому цепь RЭ, СЭ тоже можно замкнуть.
Цепь эмиттера
ХСэ
RЭ
Выберем такую емкость СЭ, чтобы хорошо выполнялось условие для переменного
тока
В результате расчетная эквивалентная схема каскада при включении транзистора по схеме ОЭ выглядит следующим образом.
+ СЭ
RЭ
iб
iк
Слайд 515Оказалось, что RК и RН включены параллельно, заменим их одним
RКН
464
Б rб
B·iб
RС
Uвх
rк*
rэ
К
Э
ЕС
RК RН
UН = Uвых
iвх =iб
iвых =iк
RК·RН
Rб
RКН = Rк//Rн =
RК + RН
Rб = Rб1//Rб2
Каскад ОЭ
Слайд 516 Определим параметры каскада
Учтем также, что rк >> rэ
и rк >> RКН.
*
*
Кi = iвых /iвх =
iк/iб = В
Кu = UВЫХ/UВХ = (Rкн iк)/(Rвхiб) = В
RКН
RВХ
RВХ = UВХ/iвх = rб + (В + 1)·rэ = h11э
RВЫХ = Uвых.хх /Iвых.кз.
Uвых.хх -- при RН
∞.
Iвых.кз. -- при RН = 0.
Uвых.хх = В·iб·Rк, Iвых.кз.= В·iб.
RВЫХ ≈ RК
Кp = Рвых/Рвх =КI ·Кu = В·В·
RКН
h11э
·
465
Слайд 517параметры каскада
Определим КU через режим работы транзистора
RВХ = [rб +
(В + 1)·rэ]; (В + 1)·rэ >> rб; В
>> 1.
rэ = φт / iэ; φт -- температурный потенциал.
Кu = В
Rкн
(В + 1)
·
iэ
φт
≈
Rкн
·
iэ
φт
·
iэ
φт
= S – крутизна транзистора.
Кu ≈ S·
RКН
466
RКН =
RK·RН
RK + RH
Слайд 518Оценим значения параметров
Параметры схемы:
- RН = ∞ (нагрузка
отключена холостой
ход),
- h11 = 100 Oм,
- В = 100.
= 100
= 1000
- RК = 1000 Ом = 1 кОм,
КU = UВЫХ/UВХ = В
RК
RВХ
1000
100
RВЫХ ≈ RК = 1000 Ом.
RВХ
= h11э ≈ 100 Ом.
Кp.max = Рвых/Рвх =КI ·Кu = В·В·
RК
RВХ
Кp.max ≈ 100·100·10 = 10 .
5
467
Слайд 519о
Параметры каскада ОК
Обратимся к коллекторным характеристикам.
Сопротивления Rк
и Rн по переменному току включены параллельно, поэтому нагрузочная прямая
по переменному току пойдет круче но через рабочую точку.
Iк
Uкэ
РТ
Iб
UК
IК
о
RКН = RK//RH
RК
о
о
Слайд 520Принципиальная схема каскада
о
6.6.2 Каскад ОБ
Uвых = Uн
Rб1
Rк
Rб2
Ес
Rс
С1
+
+ С2
Сф
Rн
VT
iн
iэ
iвх
Слайд 521 Учтем предыдущие ограничения и эквивалентную схему ОБ можно
представить следующим образом.
α - статический коэффициент передачи тока эмиттера.
о
Эквивалентная схема
rб
α·iэ
Rc Rб
Uвх
rк
rэ
К
Б
Ес
Rк Rн Uн = Uвых
iвх =iэ
iвых =iк
Э
ХС1<< Rб2, ХС2 << Rн, Rкн = Rк//Rн =
Rк·Rн
Rк + Rн
Слайд 522Параметры усилительного каскада ОБ
КIб = iвых /iвх = iк/iэ =
α
Кuб = Uвых/Uвх = (Rкн·iк)/(Rвх·iэ) = α
Rкн
Rвых
≈ Rк
rэ
Uвх = rэ·iэ + iэ(1- α)rб = iэ [rэ + (1- α)·rб] .
Но (1– α)·rб << rэ, iвх ≈ iэ
·
Rвх.б = Uвх/iвх ≈ rэ.
Кp = Рвых/Рвх =КIб ·Кuб = α·α·
Rкн
rэ
471
Слайд 523 Таким образом, каскад ОБ имеет низкое входное сопротивление
и применяется для согласования низкоомного выходного сопротивления источника сигнала с
входом усилителя.
Если принять то
Коэффициент усиления по току примерно равен единице
- повторитель тока.
Каскад ОБ является усилителем напряжения.
о
Параметры усилительного каскада ОБ
α = 0,95 – 0,99 ≈ 1.
rэ ≈ φт/ .
iэ
iэ = 1мА,
rэ ≈ 25Ом.
Слайд 524 Принципиальная схема каскада
6.6.3 Каскад ОК
Rб1
Rк
Rэ
Ес
Rс
С1 +
+
С2
Сф
Rн
VT
iн
iб
Uвых
Слайд 525471
Эквивалентная схема
Б rб
B·iб
Rc Rб
Uвх
rк”
rэ
Э
К
Ес
iвх =iб
iвых
=iэ
ХС1
Rэ·Rн
Rэ + Rн
В = h21э
Uвых
Rэ Rн
Слайд 526Параметры каскада ОК
472
Rвх = h11э + (В+1)Rэн.
Rвх = Uвх/iвх =
rб + (В+1 )·[rк”//(rэ+Rэн)]
Но rк” >>(rэ+Rэн), rэ
больших значениях В и Rэн
Rвх ≈ В·Rэн ≈ В·Rэ
Rвхmax ≈ rб + (В+1)·rк’ ≈ rк’
КIк = iвых /iвх = iэ/iб = (В+1)
Rвых = rэ + (rб + Rс)/(В+1)
При больших значениях В (В>>1) и Rс 0,
Rвых ≈ rэ
Слайд 527о
Параметры каскада ОК
Uвх = Rвх·iб, Uвых = Rэн·iэ,
Кuк
= Uвых/Uвх = (Rэн iэ)/(Rвхiб)
(В + 1)·Rэн
h11э +
(В+1)·Rэн
Кuк =
Кuк ≤ 1
Кpк = Рвых/Рвх =КI ·Кu = ( В + 1)·1 ≈ В
Слайд 528475
Таким образом, каскад ОК имеет
следующие
особенности:
-- высокое входное сопротивление Rвх ≈ В·Rэ
(В >>1),
-- малое выходное сопротивление Rвых ≈ rэ,
-- коэффициент усиления по напряжению равен единице.
Последнее обстоятельство говорит о том, что каскад является повторителем входного напряжения по амплитуде и по фазе.
Поэтому у него имеется персональное название «Эмиттерный повторитель».
Слайд 529476
Параметры каскада ОК
Используется такой каскад для согласования
выходного сопротивления источника сигнала с нагрузкой.
В
каскаде ОК действует 100 процентная отрицательная обратная связь по току.
Поэтому в каскаде не применяют методы термостабилизации.
Слайд 530о
Параметры каскада ОК
Пример
Примем ·iэ = 1 мА, rэ ≈
25 Ом, В = 100, h11э = 100 Ом,
Rэн
= 1000 Ом.
При этих условиях
Rвых ≈ rэ = 25 Ом,
Rвх ≈ В·Rэн ≈ 100 кОм.
Это говорит о том, что каскад ОК является хорошим
источником напряжения.
RВЫХ ≈ rэ
Ес
RН
RН >> rэ
Слайд 5316.7 Методы улучшения параметров каскадов
Полученные соотношения позволяют
более осознанно подходить к проектированию электронных схем, содержащих биполярные структуры.
Кuэ
= В
RКН
RВХ
Коэффициент усиления по напряжению каскада ОЭ
Для увеличения коэффициента усиления необходимо:
- увеличивать В,
- увеличивать Rк,
- увеличивать Rн,
- уменьшать Rвх.
478
Слайд 532∑
Анализ параметров каскадов
1. Существенно увеличить коэффициент В можно с
помощью составного транзистора
Б
К
Э
VT1
VT2
Общий коэффициент усиления
В ≈ В1·В2.
Слайд 533∑
Эмиттерный повторитель на составном транзисторе схема Дарлигтона
К
VT1
VT2
В ≈ В1·В2.
RЭ
+EП
UВХ
UВЫХ
Слайд 534Эмиттерный повторитель на составном транзисторе схема Шиклаи
С1
VT1
VT2
RЭ
+EП
UВХ
UВЫХ
С2
Слайд 535Параметры каскада ОК
2. Для увеличения Кuэ необходимо увеличивать
Rк.
Однако увеличивать сопротивление Rк до бесконечности нельзя, поскольку
транзистор может оказаться в режиме отсечки
коллекторного тока и перестанет усиливать.
Кроме того, существует ограничение, состоящее в том, что сопротивление Rк включено параллельно сопротивлению rк’
Rк// rк’ и параллельно сопротивлению нагрузки.
359
Слайд 536Параметры каскада ОК
Rк.
Для увеличения КUЭ необходим такой
элемент электроники, сопротивление которого было бы разным для постоянного и
переменного токов.
В качестве такого элемента можно применить биполярный или полевой транзисторы.
360
Слайд 537361
Параметры каскада ОК
Идеальным элементом в этом смысле является
биполярный транзистор, включенный по схеме ОБ.
Его коллекторные вольт-амперные характеристики идут
почти параллельно оси напряжения Uкэ.
Напряжение Uкэ может изменяться от единиц вольт до десятков вольт, а ток коллектора изменяется при этом на единицы миллиампер.
Транзистор в этом случае является источником стабильного тока или генератором стабильного тока – ГСТ.
Слайд 538о
Источник тока
Rвых
Rн
Iн
Uн
Если Rвых >> Rн, то ток
в цепи будет определяться выходным сопротивлением источника Е.
Е
о
о
Например.
Е = 10 В, Rвых = 20 Ом, Rн = 1 Ом.
Ток Iн = Е/(Rн + Rвых) = 0,47 А.
Изменим нагрузку вдвое Rн = 2 Ом.
При этом ток Iн = 0,45 A.
Таким образом, нагрузка изменилась на 50%, а ток в ней всего на 3%.
Uн
Iн
Слайд 539*
Режим транзистора по постоянному току можно выбрать
любым, например, Uк = 5В,
Iк = 1мА. При
этом R0 = Uк/Iк = 5кОм.
Это сопротивление коллекторной цепи транзистора постоянному току.
Для переменного тока (изменений тока и напряжения) дифференциальное сопротивление коллекторной цепи равно rд = ∆Uк/∆Iк = r*к .
Величина сопротивления rк* составляет
(10 ÷ 100) кОм для маломощных транзисторов.
Слайд 540*
Для транзистора, включенного по схеме ОБ,
сопротивление коллекторной
цепи rк = В·rк*.
Кuэ = В
RКН
RВХ
Для увеличения
Кuэ необходимо увеличивать
RН.
Однако нагрузка каскада RН задана и, зачастую, RН << RВЫХ.
Слайд 541Параметры каскада ОК
Для согласования высокоомного выходного сопротивления
каскада с низкоомной нагрузкой используется каскад ОК.
Его
большое входное сопротивление не нагружает предыдущий каскад, а низкоомный выход не нагружается нагрузкой.
364
Rвх = h11э + (В+1)Rэн.
Но h11э << (В+1)Rэн, а В >> 1.
RВХ ≈ В·RЭН.
Слайд 542Параметры каскада ОК
365
Rвх ≈ В·Rэн.
Для увеличения входного сопротивления
RВХ необходимо увеличивать сопротивление RЭ.
Однако беспредельное увеличение
этого сопротивления невозможно.
Поэтому в цепь эмиттера также необходимо включить генератор стабильного тока - ГСТ.
Слайд 543 Например. Е = 10 В, Rвых = 1
Ом, Rн = 20 Ом.
Напряжение Uн = Е·Rн/(Rн +
Rвых) = 9,52 В.
Изменим нагрузку вдвое Rн = 10 Ом.
Напряжение Uн = 9,1 В.
Таким образом, нагрузка изменилась на 50%, а напряжение на ней всего на 5%.
Источник напряжения
о
Rвых
Rн
Iн
Uн
Е
о
о
Если Rвых << Rн, то ток в цепи будет определяться сопротивлением нагрузки и напряжением источника Е.
Это свойство источника напряжения.
Uн
Iн
Слайд 544Пример источника напряжения
о
R
Rн
Может изменяться входное напряжение Е, ток нагрузки
Iн, а рабочая точка будет перемещаться по
ВАХ диода
и изменение напряжения на диоде составит десятые доли вольта.
Uн
Е
о
о
Диод включен в прямом направлении, к его аноду прикладывается положительное напряжение источника Е.
Это свойство источника напряжения.
д
+
о
РТ
Uпр
Iпр
Uд = Uн
Слайд 545Подключение каскада ОК
Его большое входное сопротивление не нагружает
предыдущий каскад, а низкоомный выход не нагружается нагрузкой.
370
Ес
~
С1
Rб1
Rк
Rб2
Ек
iвх
С2
Сэ
iн
Rэ1
Rн
Uн
Uвх
Rэ
оэ
ок
Слайд 546Параметры каскада
Таким образом, для уменьшения h11э можно увеличить
ток эмиттера (коллектора).
371
Для увеличения Кuэ необходимо уменьшать
Rвх.
Но
Rвх = h11э это свойство выбранного транзистора.
h11 =
rб +
(В+1)·rэ
гэ = φт/IЭ.
h11 =
rб +
(В+1)·
(φт/IЭ).
Слайд 547о
Каскад ГСТ
о
В интегральной схемотехнике в качестве ГСТ используются
схемы «Токовое зеркало».
Генератор стабильного тока ГСТ – электронное
устройство, имеющее большое внутреннее сопротивление для переменного тока и малое для постоянного.
Они относятся к управляемым источникам тока
Слайд 548о
Каскад ГСТ
При использовании транзистора в качестве ГСТ
следует помнить о следующем:
1. Выходное сопротивление транзистора со
стороны коллектора RВЫХ ≈ RК.
2. Выходное сопротивление транзистора со стороны эмиттера RВЫХ ≈ rэ т.е
RК >> rэ.
Чтобы источник тока был ближе к идеальному, необходимо, чтобы ток втекал в коллекторную цепь или вытекал из нее.
Слайд 549374
VT1
R3
R1
R2
VT2
VT3
+
Схема «токовое зеркало»
Транзистор VT1 – рабочий,
включенный по схеме
ОК.
Вместо сопротивления Rэ
включен транзистор VT2,
работающий в режиме ГСТ
Режим транзистора VT2
по постоянному току задается делителем напряжения
R3, VT3, R2.
В данном случае ток втекает в ГСТ.
Uвых
Слайд 550375
Транзистор 2 охвачен 100%-ной обратной связью, т.к. его
выход (вывод коллектора) соединен с входом (вывод базы). Этот транзистор
включен диодом. Ток, протекающий в цепи базы, приблизительно в h21э раз меньше тока в цепи коллектора:
IK1 ≈ h21э1IБ1
Если транзистор 3, эмиттерный переход которого подключен параллельно эмиттерному переходу транзистора 2, имеет полностью идентичные характеристики, то в цепи его базы потечет ток IБ2 = IБ1 .
Соответственно равны и токи коллектора IК1 =IК2
Слайд 551376
Каскад ГСТ
ГСТ можно включить в коллекторную цепь усилительного
транзистора VT1.
В данном случае ток вытекает из токостабилизирующего транзистора
VT2.
Напряжение на базе VT2 застабилизировано делителем, поэтому транзистор включен по схеме ОБ.
При такой схеме включения дифференциальное сопротивление коллекторной цепи rк составляет сотни килоом.
Слайд 552377
Усилительный каскад с ГСТ
ГСТ включим в коллекторную цепь
усилительного транзистора VT1.
Ес
iб
~
С1
Rб1
Rб2
iвх
iк
С2
Сэ
iн
Rэ
Rн
Uвых = Uн
Uвх
R1
VT1
R2
R3
VT2
VT3
+
Еп
Слайд 553о
Каскад ГСТ
Но транзистор VT2 является коллекторной нагрузкой усилительного
транзистора VT1.
Кuэ = В
Rвх
Rк//Rн
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что усилительный каскад с резистивной коллекторной нагрузкой может иметь коэффициент усиления KUэ в пределах 120 – 150,
динамическая нагрузка – ГСТ
– увеличивает коэффициент усиления до 2500.
Слайд 554о
Каскад ГСТ
Кuэ = В
Rвх
Rк//Rн
Этот эффект
возможен в случае, если
Rн >> Rк.
Для согласования с низкоомной
нагрузкой необходимо включать каскад ОК.
Слайд 555о
Каскад с ГСТ
Видим, что для организации ГСТ необходимо
несколько разнородных элементов в том числе – резисторы, изготовление которых
достаточно сложное в интегральной технологии.
Кроме того, ГСТ потребляет дополнительную энергию от источника питания.
Все это привело к разработке ГСТ на основе полевого транзистора со встроенным каналом.
У этого транзистора при Uзи = 0 протекает начальный ток канала.
Слайд 556о
Каскад с ГСТ
Стоковая ВАХ полевого транзистора со встроенным
каналом.
Ic
Uз < 0
Uз = 0
Uз > 0
Uc
Eп
Uс
•
РТ
Ic
Слайд 557о
Каскад с ГСТ
Ес
iб
~
С1
Rб1
“Rк”
Rб2
iвх
iк
С2
Сэ
iн
Rэ
Rн
Uвых =
Uн
Uвх
Усилительный каскад с динамической нагрузкой
+
Еп
•
Слайд 558о
6.8 Усилители на полевых транзисторах
Слайд 559о
6.8 Усилители на полевых транзисторах
Усилительные каскады на полевых
транзисторах управляются напряжением, приложенному или к закрытому n-p-переходу (в транзисторах
с управляющим n-p-переходом), или между электрически изолированным затвором и подложкой, которая часто соединяется с одним из электродов транзистора (в МДП-транзисторах)
Слайд 560о
Усилители на полевых транзисторах
Ток затвора в усилительных каскадах, собранных на
полевых транзисторах, очень мал, поэтому считается, что мощность от источника
сигнала не потребляется.
Считается также, что входное сопротивление усилительных каскадов на полевых транзисторах бесконечно большое.
Слайд 561о
Усилители на полевых транзисторах
В качестве примера рассмотрим усилитель
с резистивно-емкостными связями с динамической нагрузкой по постоянному току.
Усилительный транзистор включен по схеме общий исток.
Используем транзистор с каналом n-типа.
Слайд 562о
Усилители на полевых транзисторах
Для этого транзистора начальное напряжение Uзи должно
быть положительным, т.к p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением.
С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резистор Rи, на котором возникает падение напряжения URи от протекания по нему начального тока истока IСН.
Напряжение URи через резистор R3 передается на затвор.
Слайд 563387
Усилительный транзистор включен по схеме общий исток.
Используем транзистор с каналом n-типа.
Ес
~
С1
RС
RЗ
iс
С2
СИ
iн
RИ
Rн
Uвых =
Uн
Uвх
+ Еп
•
•
iи
URз
URи
ГСТ
Слайд 564о
Усилители на полевых транзисторах
Но ток затвора полевого
транзистора очень мал, поэтому падение напряжения на сопротивлении R3 практически
равно нулю, при этом URи = UЗИ.
Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы транзистора называют схемой с автоматическим смещением.
Если задан начальный ток стока (IСН = IИН) и начальное напряжение между затвором и истоком UЗИН, то сопротивление RИ следует выбирать согласно соотношению
RИ = (UЗИН)/(IСН).
Слайд 565о
Сопротивление RЗ обычно выбирают порядка 1 МОм.
Рассматриваемая схема обеспечения режима работы транзистора характеризуется повышенной стабильностью.
Сопротивление RИ вносит отрицательную обратную связь по постоянному току аналогично сопротивлению Rэ для каскада на биполярном транзисторе.
Если по каким-либо причинам начальный ток стока IСН начнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряжений URИ и UЗИ, что будет препятствовать значительному увеличению тока IСН.
Слайд 566391
У полевых транзисторов с индуцированным каналом принципиально необходима подача напряжения
смещения от внешнего источника.
Без такого смещения рабочей
точки транзистор будет заперт. Температурная стабилизация осуществляется также за счет последовательной обратной связи, которая вводится с помощью резистора UИ, включенного в цепь источника.
Слайд 567о
У полевых транзисторов с индуцированным каналом принципиально необходима подача напряжения
смещения от внешнего источника.
Ес
~
С1
RС
R2
С2
СИ
iн
RИ
Rн
Uвх
+ Еп
•
iи
URз
UН
R1
Слайд 568о
МДП транзисторы с индуцированным каналом
С
И
З
Металл Al
SiO2
n-
n-типа
p -
+
p -
+
П -подложка
+ - Uси
- Uзи
Ic
Транзистор может
работать только в режиме обогащения.
Слайд 570о
Назначение конденсаторов С1, С2 и СИ аналогично
назначению соответствующих конденсаторов RC-усилителя на биполярном транзисторе а именно для
разделения постоянной и переменой составляющих токов и напряжений.
Обратная связь на переменном токе устраняется путем шунтирования резистора RИ конденсатором большой емкости так, чтобы в диапазоне рабочих частот выполнялось условие
ХСи << RИ.
Слайд 571о
С целью повышения коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе
вместо сопротивления RC включают также активный прибор - транзистор.
ЕП
R2
VT2
СИ
RИ
•
R1
•
VT1
UН
UВХ
Слайд 572о
Затвор транзистора 2 электрически соединен со стоком, то
UCИ = UЗИ.
По семейству стоковых характеристик находится значение тока
стока для различных напряжений на затворе. Получаем нелинейную нагрузочную прямую для транзистора 1. По двум стоковым характеристикам строится передаточная или проходная характеристика каскада.
По ней можно определить рабочий режим транзисторов и коэффициент передачи каскада.
Слайд 573о
Анализ усилительных каскадов на полевых транзисторах проводят аналитическим методом.
Эквивалентную схему для режима малого сигнала, характеризующую приращения статических токов
и напряжений под влиянием входного управляющего сигнала получают, заменяя активные приборы в принципиальной схеме на их эквивалентные схемы.
При этом считается, что все источники постоянного тока замкнуты накоротко.
Слайд 574о
Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада на полевом транзисторе
.
Zн
С
З
И
Rс
Zи
S·Uзи
о
RЗ
Uвх
RЗС
RЗИ
Слайд 575
Усилитель на полевом транзисторе
Каскад управляется входным напряжением, которое
изменяет ток транзистора. Последовательно с ним включен резистор Rc.
Изменение тока через этот резистор приводит к изменению падения напряжения на нем, которое во много раз больше входного сигнала.
Слайд 576
Стокозатворная характеристика Ic = ƒ(Uзи, Uси)
Uзи В
Ic мА
4
2
-
Слайд 577
Усилитель на полевом транзисторе
Ic
Uз > 0
UЗ
Uз =
0
Uc
Eп
Uвх
•
Ic
о
RC
RC//Zн
Uвых
Слайд 578
6.9 Схемы обеспечения рабочего режима активного элемента
.
Слайд 579Если Uвх < Uд, то диод закрыт.
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
R
Uвых
о
о
rд
+
о
РТ
Uпр
Iпр
Uд = Uвых
Uвх
о
о
Iпр
Если R >>
rд , Uвх > Uд ,
то диод открыт и на нем имеется напряжение
*
Uд = Uвых.
*
Напряжение
для Si равно 0,65 В,
для Ge – 0.2 B.
Если диод открыт,
то Кu = Uвых/Uвх = 0.65/Uвх
Слайд 580281
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
R
Uвых
о
о
rд
–
Uобр
Iобр
Uпробоя
Uвх
о
о
+
Диод включен
в обратном направлении.
rд >> R, Uвх < Uпробоя.
Кu =
Uвых/Uвх ≈ 1.
Iобр
Слайд 581о
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
R
Uвых = UБЭ
Переход Б-Э
является обычным
p-n-переходом, включенным в прямом направлении.
о
о
+
Uвх
о
о
I
I =
Uвх –
0.6 B
R
Слайд 582о
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
о
РТ
Uбэ
Iб
Uб = 0,65В
о
20 С
о
I
R
Слайд 583о
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
Как изменится напряжение
на базе
при изменении температуры, если
ТКН = - 2 мВ/ С.
- уменьшится на 80 мВ.
о
РТ
Uбэ
Iб
Uб = 0,65В
о
20 С
60 С
о
о
о
I
Слайд 584о
Делитель напряжения с элементом,
имеющим нелинейную ВАХ
Как изменится напряжение на
базе
о
РТ
Uбэ
Iб
UBX
о
t
Слайд 585283
Ограничитель напряжения со стабилитроном КС147А
R
Uвых
о
о
rд
4,7В
Uпр
Iпр
Um > 4,7В, R >
rд.
Uвх=Um·sinωt
о
о
t
0,6В
0,6В
Ucт = 4,7В
Uвх
Uвых
Слайд 586 На прямой ветви до напряжения 0,6 В
диод закрыт. Его сопротивление много больше сопротивления R, поэтому ток
в цепи не течет. На выходе формируется напряжение, совпадающее по амплитуде, форме, фазе с входным.
Если входное напряжение превышает 0,6 В, то диод открывается, его сопротивление становится много меньше сопротивления R, но не равным нулю.
Образуется делитель напряжения R – rд.
Слайд 587
Образуется делитель напряжения R – rд.
R
Uвых
о
о
rд
Uвх=Um·sinωt
о
о
Uвых = Uвх
rд
rд
R +
Слайд 588На обратной ветви до напряжения Uст стабилитрон также закрыт, его
сопротивление много больше сопротивления R и на выходе формируется напряжение,
аналогичное входному.
Слайд 589
Поменяем местами диод и
стабилитрон
На прямой ветви до напряжения 0,6 В диод закрыт. Его
сопротивление много больше сопротивления R, поэтому ток в цепи не течет. На выходе напряжение отсутствует. Если входное напряжение превышает 0,6 В, то диод открывается, его сопротивление становится много меньше сопротивления R, на выходе формируется напряжение, совпадающее по амплитуде, форме, фазе с входным.
Образуется делитель напряжения R – rд.
Слайд 590415
Ограничитель напряжения со стабилитроном КС147А
R
Uвых
о
о
rд
4,7В
Uпр
Iпр
Um > 4,7В, R >
rд.
Uвх=Um·sinωt
о
о
t
0,6В
0,6В
Ucт = 4,7В
Uвх
Uвых
Слайд 591Применение выпрямительных диодов
U=Um·sinωt
VD
Rн
Uн
~
ωt
U
Uн
Uн.ср
t1
t2
Uн.ср = 1/2π∫Um·sinωt dωt = 0.45·U
0
π
Слайд 592417
Применение выпрямительного диода
R
Uвых
о
о
rд
Uпр
Iпр
Uвх=Um·sinωt
о
о
t
0,6В
0,6В
Uвх
Uвых
Слайд 593418
Применение выпрямительного диода
R
Uвых
о
о
rд
Uпр
Iпр
Uвх=Um·sinωt
о
о
t
0,6В
0,6В
Uвх
Uвых
Слайд 594417
Применение выпрямительного диода
R
Uвых
о
о
ЕСМ
Uпр
Iпр
Подадим на диод напряжение смещения.
Uвх=Um·sinωt
о
о
t
Uвх
ЕСМ
Слайд 595 Некоторые пояснения к курсовому проекту.
Слайд 596каскад ОЭ
Ес
iб
~
С1
Rб1
Rк
Rб2
Ек
iвх
С2
Сэ
Rэ
Uвых = Uн
Uвх
+
«Забыли» включить сопротивление Rб1.
421
Слайд 597Что произойдет, если «забыли» включить сопротивление Rб1
Постоянное напряжение на
базе равно нулю, ток базы равен нулю, РТ смещается в
начало координат.
Iб
Uбэ
Uкэ > 0
o
620
630
640
•
•
•
мВ
Uвх
t
iб
Iк
Uкэ
Iб1
•
Iб=0
РТ
РТ
Iб1
До напряжения на базе транзистор закрыт.
Слайд 598Что произойдет, если «забыли» включить сопротивление Rб2, сопротивление Rб1 включено
Постоянное напряжение на базе максимальное и равно току базы насыщения.
РТ смещается в конец характеристики.
В коллекторной цепи течет Iк.max = Eк/Rк.
Iб
Uбэ
o
•
•
•
Uвх
t
iб
Iк
Uкэ
Iб1
•
Iб=0
РТ
РТ
Iб1
Транзистор открыт до насыщения и напряжение на коллекторе
минимальное.
Iбнас
Iбнас
Uвых
Слайд 599«Забыли» подключить емкость Сэ
Х
протекали по
емкостному сопротивлению.
Сэ
Для постоянных токов и напряжений
ничего не изменилось.
Ес
iб
~
Rэ
Uвх
+
Сэ
С подключенной емкостью
iб = Uвх/h11
С отключенной емкостью
ток базы протекает по
сопротивлению Rэ и
iб = Uвх/(h11+ Rэ),
т.е. ток уменьшился.
Уменьшится переменный ток коллектора iк = В·iб
289
Слайд 600 Исходный «нормальный» режим работы каскада
Iк
Uкэ
Iб
•
iб
•
Iб=0
•
•
РТ
Uвх
Uб
Iб
Uк
Uк =Uвых
Uк
Uк
Rкн
о
о
-
Постоянная составляющая напряжения на коллекторе
- Переменная составляющая напряжения на коллекторе
iк
-
Переменная составляющая напряжения на коллекторе находится
в противофазе с напряжением на входе.
290
Слайд 601Uвх
Uб
Uн
Uк
Uк
о
- Постоянная составляющая напряжения на коллекторе
- Переменная составляющая напряжения на
коллекторе
- Постоянная составляющая напряжения на нагрузке отсутствует
Слайд 602Лекция 16
Тема 7
1. ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
1.1 Основные термины и
определения
Микроэлектроника – раздел электроники, включающий исследование, конструирование и производство интегральных
микросхем и радиоэлектронной аппаратуры на их основе.
Интегральная микросхема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накопления информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, рассматриваемое как единое целое.
556
Слайд 603Основы микроэлектроники
Элемент – часть микросхемы, реализующая функцию
какого либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное
изделие. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор, соединение и др.
Элементы могут выполнять и более сложные функции, например, логические (логические элементы) или запоминания информации (элементы памяти).
Структура ячейки флэш-памяти
С
И
З
SiO2
p-
p-типа GaAs
П -подложка
Нитрид кремния
Si3N4
557
Слайд 604Основы микроэлектроники
Компонент – часть микросхемы, реализующая функцию
какого либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие.
Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций.
К простым компонентом относятся бескорпусные транзисторы, диоды, малогабаритные катушки индуктивности и др.
Сложные компоненты содержат несколько элементов, например, диодные сборки.
558
Слайд 606560
Основы микроэлектроники
С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет
собой совокупность большого числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности
или в объеме общей диэлектрической или полупроводниковой подложки. Термин «интегральная» отражает конструктивное объединение элементов и компонентов, а также полное или частичное объединение технологических процессов их изготовления.
Слайд 607 Микросхемотехника (интегральная схемотехника) как одна из основ микроэлектроники
охватывает исследования и разработку оптимальных схем.
Многие современные микросхемы
являются очень сложными электронными устройствами, поэтому при их описании и анализе используются по меньшей мере два уровня схемотехнического представления.
Первый наиболее детальный уровень – это электрическая схема. Она определяет электрические соединения элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.). На этом уровне устанавливается связь между электрическими параметрами схемы и параметрами входящих в нее элементов.
Основы микроэлектроники
561
Слайд 608 Электрическая схема – условное графическое обозначение электрической цепи.
На электрической схеме изображаются ее элементы – идеализированные модели реально
существующих электрических устройств (транзисторов, диодов, резисторов и др.).
Под электрической цепью понимают совокупность соединенных между собой электротехнических устройств и элементов, по которым может протекать электрический ток.
Основы микроэлектроники
562
Слайд 609 Электрическая схема
Ес
~
С1
Rб1
“Rк”
Rб2
С2
Сэ
Rэ
Rн
+ Еп
•
563
Слайд 610 Второй уровень - структурная схема.
Она определяет функциональное
соединение отдельных каскадов, описываемых электрическими схемами.
Основы микроэлектроники
Источник питания
Источник сигнала
Нагрузка
усилителя
Усилитель
564
Слайд 611 По функциональному назначению микросхемы подразделяются на аналоговые
и цифровые.
В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по
закону непрерывной функции. Типовой пример аналоговой микросхемы – операционный усилитель.
Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.
Основы микроэлектроники
565
Слайд 614 1.2 Конструктивно-технологические типы ИМС
Конструктивно-технологическая классификация микросхем
учитывает способы изготовления и получаемую при этом структуру.
По
конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы.
В полупроводниковой микросхеме все элементы и междуэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.
Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки, называется кристаллом интегральной микросхемы.
Основы микроэлектроники
568
Слайд 616 Основным полупроводниковым материалом МС в настоящее время является
кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами слоев диоксида
кремния, получаемых на его поверхности при окислении (двуокись кремния SiO2).
Эти слои используют в качестве масок при локальном легировании кремния примесями, для изготовления элементов, в качестве подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, а также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др.
Конструктивно-технологические типы ИМС
570
Слайд 617 Достаточно большая ширина запрещенной зоны кремния обуславливает малые
обратные токи p-n-переходов, что позволяет создавать микросхемы, работающие при повышенных
температурах до 125 оС.
В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке, в частности из сапфира ( структура типа «кремний на сапфире»).
Она обеспечивает повышенную радиационную стойкость.
Конструктивно-технологические типы микросхем
571
Слайд 618 Разновидностью полупроводниковых МС являются совмещенные микросхемы,
в которых транзисторы размещаются в активном слое кремния, а пленочные
резисторы и диоды, как и проводники, на слое двуокиси кремния.
Конструктивно-технологические типы микросхем
572
Слайд 619 Основным активным элементом микросхем являются биполярные транзисторы типа
n-p-n. Кроме того используются диоды на основе
p-n-переходов и переходов
металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы,
пленочные резисторы, изготовляемые в поликристаллическом слое кремния.
Конструктивно-технологические типы микросхем
573
Слайд 620 Основным элементом МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа.
Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому
для микросхем на n-канальных
МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции.
Но они уступают биполярным структурам по быстродействию из-за наличия относительно большой распределенной емкости.
Конструктивно-технологические типы микросхем
574
Слайд 621 В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП – транзисторы с
индуцированными каналами n- и р- типа. Для этих микросхем характерна
очень малая потребляемая мощность от источника питания.
Конструктивно-технологические типы микросхем
•
Uвх
Uвых
+ Еп
n-типа
р-типа
См
575
Слайд 622 Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и
навесные активные компоненты.
На диэлектрическую подложку наносятся пленочные резисторы
и пленочные конденсаторы. На подложку устанавливаются также бескорпусные биполярные структуры с проволочными выводами.
Выводы соединяются с металлическими слоями других компонент с помощью пайки или компрессионной сварки.
Конструктивно-технологические типы микросхем
576
Слайд 623Конструктивно-технологические типы микросхем
574
Слайд 6242. Технологические основы микроэлектроники
578
Слайд 625 Структуры, электрические параметры микросхем и их элементов определяются технологией
изготовления.
Создание микросхем начинается с создания монокристаллических полупроводниковых
слитков цилиндрической формы. Их получают в специальных реакторах путем выращивания кристалла из расплава кремния. Далее слитки многократно пропускают через индукционные печи с местным нагревом для удаления примесей и дефектов кристаллической решетки. Примесей должно быть менее одного атома на миллион атомов кремния.
Слитки выращивают также на космических станциях.
2. Технологические основы микроэлектроники
579
Слайд 626 Монокристаллические полупроводниковые слитки цилиндрической формы разрезают на
пластины толщиной 0,4 – 0,5 мм. Далее пластины шлифуют, полируют
и проводят химическое травление для удаления поверхностного дефектного слоя и получения поверхности с шероховатостью 0,03 – 0,05 мкм.
В течение всего технологического цикла производится очистка поверхности пластины с помощью ультразвука.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
580
Слайд 627 Технологический цикл разделяют на два больших этапа – обработки
пластин и сборочно-контрольной.
На первом этапе на пластинах формируются
структуры микросхем, т.е. их элементы и соединения.
Второй этап начинается с контроля функционирования микросхемы на пластине с помощью механических зондов.
После контроля пластины разрезают на кристаллы, соответствующие отдельным микросхемам.
Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют контактные площадки кристалла с выводами корпуса и герметизируют корпус.
Затем производится окончательный контроль и испытания готовых микросхем с помощью автоматизированных систем.
581
Слайд 628 Эпитаксия - процесс наращивания на пленку монокристаллического слоя, повторяющего
структуру подложки или ее кристаллографическую ориентацию.
Эпитаксиальная пленка создается на всей
поверхности подложки. Одновременно в нее вводятся примеси , распределяющиеся равномерно по объему пленки.
На границе раздела пленки с подложкой формируют p-n, n+-n p+-p переходы.
Эпитаксия проходит в газофазной среде в реакторе при высокой температуре. В реактор последовательно подаются необходимые химические элементы.
Технологические приемы создания микросхем
582
Слайд 629 Диффузия примесей – технологическая операция легирования – введение
примесей в пластину или эпитаксиальную пленку.
При
высокой температуре (около 1000 оС) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения.
Основной механизм проникновения примесного атома в кристаллическую решетку состоит в последовательном перемещении по вакантным местам решетки.
583
Слайд 630 Диффузия примесей
Как правило, легирование ведется
чрез маску двуокиси кремния или нитрида кремния Si3N4.
Концентрация вводимых примесей максимальна у поверхности и спадает по направлению в глубь пластины.
584
Слайд 631 Диффузия
р-
n-
x
Доноры
SiO2
xo
x
N
NД(х)
Nа
На уровне ХО концентрации доноров и
акцепторов одинаковые. Это соответствует p-n-переходу.
585
Слайд 632 Ионное легирование – технологическая операция введения примесей
в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами
примесей.
Получение ионов, их ускорение и фокусировку производят в специальных вакуумных установках.
Пары легирующих элементов поступают в ионизационную камеру, где возбуждается высокочастотный или дуговой электрический разряд.
Образовавшиеся ионы ускоряются в электрическом поле (до 300 кВ), фокусируются в пучок с плотностью
тока до 100 А/м2 и площадью сечения 1-2 мм2.
Система сканирования обеспечивает перемещение пучка по заданной траектории.
586
Слайд 633 Ионное легирование позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными
размерами толщиной менее 0,1 мкм с высокой воспроизводимостью параметров. Этот
процесс позволяет внедрять в качестве примесей практически любые элементы.
р-
n-
Ионы доноров
SiO2
588
Слайд 634 Термическое окисление
Термическое окисление позволяет получить
на поверхности кремниевых пластин пленку двуокиси кремния для создания изолирующих
слоев, масок и др.
Окисление выполняют в эпитаксиальных или диффузионных установках, пропуская над поверхностью пластин газ-окислитель кислород, водяной пар или их смесь при температуре
1000-1300 оС.
Во многих случаях слои SiO2 необходимо выращивать лишь на определенных участках кристалла. Для этого используют маску нитрида кремния. Прорастание диоксида в глубь кристалла позволяет использовать его для изоляции соседних слоев.
Слайд 635Если после окисления удалить маску нитрида и провести неглубокое легирование
донорами, то получим изолированные друг от друга слои n-типа.
р-
Si3N4
Si
р-
Si3N4
Si
SiO2
р-
n-
Si
SiO2
n-
Слайд 636 Травление
Травление представляет собой удаление поверхностного слоя
чаще всего химическим путем.
Его применяют для получения максимально
ровной бездефектной поверхности пластин, удаления двуокиси и других слоев с поверхности.
Локальное травление используется для получения рисунка поверхности и масок.
В основе жидкостного травления лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение.
Локальное травление осуществляется через маску.
Слайд 637Травление. Удаление участка двуокиси кремния.
р-
SiO2
Si
Травитель
Маска нерастворимого фоторезиста
591
Слайд 638Литография
Литография – процесс формирования отверстий в
масках, создаваемых на поверхности пластин, предназначенных для локального легирования, травления,
окисления, напыления и других операций.
Она основывается на использовании светочувствительных полимерных материалов – фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся нерастворимыми в специальных веществах – проявителях.
После локальной засветки растворяются и удаляются незасвеченные участки.
Слайд 639Литография
Рисунок будущей маски задается фотошаблоном. Он
представляет собой стеклянную пластину, на одной стороне которой нанесена тонкая
непрозрачная пленка требуемой конфигурации.
Основные этапы процесса фотолитографии.
На окисленную поверхность кремниевой пластины наносится тонкий слой раствора фоторезиста и высушивается.
На пластину накладывают фотошаблон (ФШ) и экспонируют, затем его снимают.
Слайд 640Литография
р-
SiO2
Si
Свет
ФР
ФШ
р-
Si
р-
Si
После проявления негативный фоторезист удаляется с
незасвеченных участков.
Получается фоторезистивная маска, через которую далее травят слой двуокиси
кремния, после чего фоторезист удаляется.
594
Слайд 641
Разрешающая способность.
Она оценивается максимальным числом линий раздельно воспроизводимых
в маске в пределах 1 мм.
Принципиальным ограничительным фактором является дифракция
света. Нельзя получить линию толщиной менее длины волны λ света.
Для повышения разрешающей способности применяют:
- Освещение ультрафиолетовым светом,
- Рентгеновская литография.
- Электронно-лучевая литография.
595
Слайд 642 В ИМС применяются в основном транзисторы
n-p-n-типа. Их
особенность в интегральном исполнении состоит в наличии дополнительных областей, изолирующей
их от общей полупроводниковой подложки.
Все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной.
3. БИПОЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ
596
Слайд 643 3.1 Структура эпитаксиально-планарного транзистора
Транзистор выполнен на высокоомной
подложке р– типа. Локальной диффузией донорных примесей создается скрытый слой
n+-типа.
Диффузией бора через маску формируют изолирующую область р+-типа окружающую коллекторную область n-типа.
В пленке диоксида кремния , покрывающей поверхность кристалла, создают контактные отверстия через которые напылением пленки алюминия формируют контакты к эмиттеру, коллектору, базе, подложке.
597
Слайд 644Структура эпитаксиально-планарного транзистора
р
р-
р+
р+
n+
n+
n+
n
Э
Б
К
Al SiO2
Si
598
Слайд 645 МНОГОЭМИТТЕРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Многоэмиттерные транзисторы n-p-n-типа отличаются от обычных тем, что в их
базовой области р-типа создают несколько эмиттерных областей n+-типа.
Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
599
к
Б
э
э
Б
к
Слайд 646ТРАНЗИСТОРЫ С ДИОДОМ ШОТКИ
600
р
р-
р+
р+
n+
n+
n+
n
Э
Б
К
Al SiO2
Si
К
Б
Э
Слайд 647
601
В микросхемах в качестве резисторов применяются базовые высокоомные слои
р-типа. Изопланарная структура может быть следующей.
РЕЗИСТОРЫ
р
р-
n+
n
В
Al SiO2
Si
n
n+
В
Слайд 648КОНДЕНСАТОРЫ
•
Структура МДП-конденсатора может быть следующей.
Одной из обкладок является n+-слой,
другой – слой металла (алюминий), а диэлектриком – слой диоксида
кремния
602
р
р-
n
В
Al SiO2
Si
В
Слайд 650604
Литература
Основная литература:
1. Булычев А. Л., Лямин П. М. Электронные приборы.
М.: Лайт Лтд., 2000. 416 с.
2. Пасынков В.В.Чиркин А. К.
Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1987. 479 с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учеб.пособие для вузов. – 3-е изд. М.: Высшая школа, 1996.
4. Тырышкин И.С. Физические основы полупроводниковой электроники. М.: Высшая шк. 2000.
5. Бойко В.И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства: Учебник. – М.: BHV, 2004 – 506с.
6. Лачин В.И., Савелов В.С. Электроника: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: изд-во «Феникс», 2000. 448 с.
Дополнительная литература:
7. Прянишников В.А.
Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона прин,1998.
8. Жеребцов И.П. Основы электроники. 5-е изд. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.
9. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. 2-е изд., исправленное. М.: Горячая линия -Телеком, 2001. 320 с.
Слайд 652606
Бескорпусной транзистор с упаковкой
Слайд 654608
Мощный генераторный триод с радиатором
курс 2 факультет ФТ
1. Выпрямительные диоды: классификация; параметры, характеризующие их вольт-амперную характеристику и физические свойства; параметры, характеризующие предельно допустимые эксплуатационные режимы.
2. Обеспечение режима работы биполярного транзистора по постоянному току в усилительном каскаде.
3. Выпрямительный диод пункта 1 включен в схему. На вход подается напряжение синусоидальной формы амплитудой 5В. Показать форму выходного напряжения для идеального диода и с учетом его реальных параметров. Учитывать масштаб входного и выходного напряжений.
Uвх = 5В R = 5 Ом
Подпись преподавателя ____________________