Лекции по "Эллектротехнике"

-условное обозначение  выпрямительного диода (слева –  анод; справа – катод).

Работа выпрямительных диодов основана на использовании односторонней проводимости p-n перехода. Диод пропускает ток в прямо направлении, когда потенциал анода выше потенциала катода, и практически не пропускает ток в обратном направлении, когда потенциал анода ниже потенциала катода.

Свойства выпрямительных диодов характеризуются их вольт-амперными характеристиками и параметрами (рис.8.10).

Основные параметры выпрямительных диодов :

 прямой ток Iпр – ток, протекающий через диод при прямом напряжении;

прямое падение напряжения Uпр – падение напряжения на диоде при прямом токе;

максимальный обратный ток Iобр max – максимально допустимое значение обратного толка;

максимальное обратное напряжение Uобр max – максимально допустимое значение обратного напряжения;

допустимая рабочая температура – максимальная температура, допускающая продолжительную работу диода;

обратное сопротивление диода Rобр – сопротивление p-n-перехода при обратном напряжении на нём.

Выпрямительные диоды обладают сравнительно большой ёмкостью и большим временем восстановления их обратного сопротивления, поэтому их практическое применение ограничено частотой 100 кГц.

Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов, частота которых не превышает 1 ГГц. Их основным отличием от типичных выпрямительных диодов является малое время их обратного восстановления. Диоды этой группы могут быть использованы, например, в выпрямителях, работающих на высоких частотах, в детекторах, в преобразователях, ограничителях и других устройствах.

 

Выпрямительные диоды используют в выпрямителях переменного тока.

На рис. 8.11 даны одноплупериодная и двухполупериодная мостовая схемы выпрямления. Существуют так же простая двухполупериодная, трехфазная простая и трёхфазная мостовые схемы.

а) схема однополупериодного выпрямителя;

б) графики напряжения на вторичной обмотке трансформатора (u2), выпрямленного (пульсирующего) тока (i2) и среднего за период тока через нагрузку (I2);

в) схема мостового выпрямителя (двухполупериодного);

г) графики напряжения (u2) и тока во вторичной обмотке трансформатора (i2), пульсирующих (iн и uн) тока и напряжения на нагрузке, среднего за период тока (I0) и напряжения (U0) в нагрузке.

В однополупериодной схеме ток через диод и нагрузку протекает только в течение одной половины периода, когда потенциал анода выше потенциала катода.

В мостовой схеме в течение одной половины периода открыты диоды V1 V3, а в течение второй половины периода открыты диоды V2 и V4. В этой схеме ток через нагрузку протекает в течение двух половин периода.

 

Если максимальное обратное напряжение диода меньше того, которое будет приложено к нему в выпрямительной схеме, то несколько однотипных диодов следует соединить между собой последовательно (рис. 8.12,а). Однотипные диоды обладают различным разбросом обратных сопротивлений и пробивных напряжений. Для выравнивания напряжений на диодах каждый из них шунтируется резистором Rш.

Если прямой ток диода меньше того, который будет протекать по нему в выпрямительной схеме, то диоды нужно соединить между собой параллельно (рис.8.12,б). Для выравнивания токов диодов в схеме последовательно каждому из них включают уравнивающий резистор Rо. 

 

Стабилитроны.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, у которых в обратной ветви их вольт-амперной характеристики имеется участок, в пределах которого напряжение незначительно изменяет своё значение при изменении протекающего через стабилитрон обратного тока.

Основные параметры стабилитронов:

- напряжение стабилизации  Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании через него номинального тока стабилизации; напряжение стабилизации у разных типов стабилитронов лежит в пределах от 5 до 200 В.

- номинальный ток стабилизации  Iст – ток через стабилитрон, определяющий значение Uст;

- минимально и максимально  допустимые значения тока стабилизации и - значения токов, при которых обеспечивается напряжение стабилизации;

- макесимально допустимая рассеиваемая мощность – мощность, при которой обеспечивается надёжная работа стабилитрона.

 

Условное обозначение стабилитрона

 

Стабилитроны используют в стабилизаторах напряжения и в электронных схемах, предназначенных для амплитудного ограничения и создания опорных (эталонных) напряжений.

На рис.8.13 представлена простейшая схема стабилизации постоянного тока. Она осуществляет стабилизацию напряжения как при изменении входного напряжения Uвх, так и при сопротивления нагрузки Rн.

Например, если входное напряжение увеличится, то увеличатся ток стабилитрона и ток I0. Увеличится и падение напряжения на ограничительном сопротивлении Rогр, а падение напряжения на стабилитроне (выходное напряжение Uвых) не изменится. Это объясняется тем, что при увеличении тока стабилитрона пропорционально этому увеличению уменьшается сопротивление стабилитрона.

Стабисторы.

Стабисторы - полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации небольших значений постоянного напряжения (около 0,7 В). В отличии от стабилитронов, которые включаются на обратное напряжение, стабисторы включают нпа прямое напряжение.

Варикапы

условное обозначение варикапа.

Варикапы – диоды, работающие при обратном напряжении, от которого зависит барьерная ёмкость. Они представляют собой конденсаторы переменной ёмкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения: чем оно больше, тем ёмкость варикапа меньше.

 

Лекция 33.

Тема 8.2. Полупроводниковые приборы.

 

1. Биполярные транзисторы.

Транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний (тока, напряжения, мощности). Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные).

Структурная схема транзисторов.

Биполярный транзистор представляет собой монокристалл кремния или германия, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (p-n-p или  n-p-n).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков. Различие между ними заключается в том, что в транзисторе p-n-p (рис.8.14,а) ток создаётся дырками, а в транзисторе n-p-n (рис.8.14,б) - электронами.

К каждой из областей припаяны выводы, с помощью которых транзистор включается в схему.

 

Физические процессы в биполярном транзисторе.

При использовании транзистора в режиме усиления эмиттерный переход смещён в прямом  направлении (находится под прямым напряжением), а коллекторный – в обратном (под обратным напряжением).

Назначением эмиттерного перехода является инжекция (впрыскивание) основных носителей эмиттера в базовую область. В транзисторе p-n-p основными носителями в эмиттере являются дырки. Под действием прямого напряжения эмиттерного перехода они свободно проходят через этот переход и попадают в базу. Инжектированные в базу дырки для базы являются неосновными носителями. Количество дырок в базе вблизи эмиттерного перехода значительно возрастает. В результате в базе создаётся диффузионный поток дырок в направлении от эмиттерного перехода, где они в избытке, к коллекторному переходу, где их меньше. Под действием ускоряющего для дырок поля коллекторного перехода, дырки, подошедшие к этому переходу, втягиваются в коллектор, и во внешней цепи протекает коллекторный ток Ik.

Электроны, ушедшие из эмиттера к источнику эмиттерного напряжения Еэ, создадут в проводе, присоединённом к эмиттеру эмиттерный ток Iэ.

Не все инжектированные в базу дырки участвуют в создании коллекторного тока, так как небольшое их количество успевает рекомбинировать с электронами, находящимися в базе. Вместо электронов, рекомбинировавших с дырками, в базу от источника Еэ поступят новые электроны, которые создадут в проводе, отходящим от базы базовый ток Iб. В соответствии с первым законом Кирхгофа Iк = Iэ – Iб, поэтому Iб стремятся сделать как можно меньшим. Это достигается уменьшенеием ширины базы и концентрации в ней примесей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схемы включения транзисторов.

Наименование схемы включения зависит от того какой из электродов транзистора подключё к точке, являющейся общей для входной и выходной цепи по переменному току.

Разные схемы обладают разными свойствами.

Статические вольт-амперные характеристики.

Вольт-амперные характеристики представляют собой зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Вольт-амперные характеристики, снятые на постоянном токе и при отсутствии нагрузки в выходной цепи, называют статическими характеристиками транзистора.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при неизменном напряжении на коллекторе.

Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от выходного напряжения (напряжения на коллекторе) при неизменном значении входного тока или входного напряжения.

2. Полевые транзисторы.

У биполярных транзисторов управление током в выходной цепи ведётся входными токами. У полевых транзисторов управление выходным током ведётся с помощью электрического поля, поэтому их называют полевыми. Действие полевых транзисторов основано на использовании носителей заряда только одного типа: электронов или дырок. Это послужило основой для второго названия – униполярные. Рабочий ток в полевом транзисторе протекает в области, называемой каналом, поэтому их называют так же канальными. Все эти названия равносильны.

Полевые транзисторы имеют три электрода: исток (источник носителей заряда), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Существуют две разновидности полевых транзисторов – транзисторы с управляющим  p-n переходом и транзисторы с изолированным затвором, которые бывают с встроенным и с индуцированным каналом.

Транзистор с управляющим p-n переходом.

Основой транзистора является германиевый стержень с электронной (или с дырочной) элетропроводностью. К торцам стержня присоединены выводы, соединённые с истоком и стоком. Путём вплавления индия по периметру стержня создан кольцевой p-n переход, к которому присоединён вывод, соединённый с затвором.

Под действием стокового напряжения Ес между истоком и стоком создаётся электрическое поле, которое для электронов, испускаемых истоком, является ускоряющим. Электроны, ускоряемые электрическим полем, попадают на сток, проходя через поперечное сечение транзистора, созданное p-n переходом. Это сечение называют каналом. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности ширина запирающего слоя p-n перехода будет увеличиваться в направлении канала.

С уменьшением площади поперечного сечения канала проводимость транзистора уменьшается. Уменьшается и ток, протекающий через канал (ток стока Iс). Таким образом, изменяя отрицательное напряжение на затворе, можно управлять током стока.

Транзисторы с изолированным затвором.

Транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупровник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и с встроенным каналами.

 

 

Концентрация донорной примеси в области стока и истока выше, чем в канале. Повышенная концентрация примеси условно обозначена n+. Основанием транзистора служит полупроводник p-типа.

В транзисторе с встроенным каналом свободные электроны в канале существуют и при отсутствии напряжения на затворе. При подаче на затвор напряжения положительной полярности относительно истока и основания на металлической поверхности затвора появятся положительные заряды, а у прилегающей к диэлектрику поверхности канала подойдут подвижные отрицательные заряды (электроны). Появление в канале, в котором уже были свободные электроны, новых электронов приводит к повышению проводимости канала, а, следовательно, к увеличению тока стока. Такой режим работы транзистора называют режимом обогащения.

Если на затвор подать напряжение отрицательной полярности, то на металлической поверхности затвора появятся отрицательные заряды, а электроны, находившиеся в канале вблизи затвора, уйдут из канала. При этом проводимость канала уменьшится, что приводит к уменьшению тока стока. Такой режим работы транзистора называют режимом обеднения.

Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока.

В транзисторе с индуцированным затвором свободных электронов в приповерхностном к затвору слое нет. Ток стока не протекает. В этом транзисторе токопроводящий канал создаётся при подаче на затвор положительного напряжения определённого значения. Слой между истоком и стоком, через который проходит движение электронов, называют индуцированным каналом. Поскольку этот канал создаётся лишь при положительном напряжении на затворе, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения. Из-за простоты изготовления и хороших технических характеристик транзисторы с индуцированным каналом получили наибольшее распространение из числа полевых.