Учебное пособие ОИБ. Аннотация дисциплины наименование дисциплины 4 глоссарий 5 Физические основы полупроводниковых приборов
 Скачать 1.49 Mb.
|
|
1.3. Биполярные транзисторы. Устройство, принцип работы Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий три области с различными типами проводимости. Две крайние области обладают одинаковым типом проводимости, а средняя область – противоположной проводимостью. Транзисторы n-p-n –типа с электронно-дырочной проводимостью, транзисторы p-n-p –типа с дырочно-электронной проводимостью.  Рис. 1.14. Схема условного обозначения транзистора n-p-n структуры и его подключений к внешним источникам питания На рисунке 1.14 изображены, соответственно, схема условного обозначения транзистора n-p-n структуры, а также схема его подключения к внешним источникам питания, поясняющая принцип действия транзистора. Конструктивно транзистор имеет три электрода эмиттер Э, база Б, коллектор К. Области n-типа и p-типа разделены запирающими p-nпереходами. Под действием внешних электрических полей Eэб и Eкб левый p-n переход, при включенном ключе S, открыт, правый p-n переход закрыт, так как электроды эмиттер и база подключены к источнику Eэб в прямом (проводящем) направлении, а электроды коллектор и база подключены к источнику Eкб в обратном (не проводящем) направлении. Электрический ток создается перемещением свободных электронов из эмиттера в базу. При появлении в базе свободных электронов под действием Eкб последние будут втягиваться в правый p-n переход и проходить через коллектор во внешнюю цепь. Направления эмиттерного, базового и коллекторного токов противоположны направлениям движения свободных электронов и совпадают с направлением перемещения свободных дырок. На рисунке 1.15 изображены, соответственно, схема условного обозначения транзистора p-n-p структуры, а также схема его подключения к внешним источникам питания, поясняющая принцип действия транзистора.  Рис. 1.15. Схема условного обозначения транзистора p-n-p структуры и его подключений к внешним источникам питания Под действием внешних электрических полей Eэб и Eкб левый p-n переход, при включенном ключе S, открыт, правый p-n переход закрыт, так как электроды эмиттер и база подключены к источнику Eэб в прямом (проводящем) направлении, а электроды коллектор и база подключены к источнику Eкб в обратном (не проводящем) направлении. Электрический ток создается свободными дырками, перемещаемыми из эмиттера в базу, а затем под действием внешнего поля Eкб, втягиваемых в зону коллектора. Свободные электроны, проходя, правый и левый p-n переходы, будут перемещаться через эмиттер во внешнюю электрическую цепь к базе и коллектору. 1.4. Схемы включения биполярных транзисторов с p-n-p структурой Возможны три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). На рис. 1.16 изображена схема включения транзистора p-n-p структуры с общей базой, в которой коэффициент усиления по току  , коэффициент усиления по напряжению  , коэффициент усиления по мощности  . Рис. 1.16. Схема включения транзистора p-n-p структуры с общей базой На рис. 1.17 изображена схема включения транзистора p-n-p структуры с общим коллектором. Так как  , тогда коэффициент усиления по току схемы  , коэффициент усиления по напряжению , коэффициент усиления по мощности  .Эту схему называют эмиттерным повторителем и используют для согласования каскадов в схемах усилителей.  Рис. 1.17. Схема включения транзистора p-n-p структуры с общим коллектором На рис. 1.18 изображена схема включения транзистора p-n-p структуры с общим эмиттером, коэффициент усиления по току схемы  ,коэффициент усиления по напряжению  ,коэффициент усиления по мощности   . Рис. 1.18. Схема включения транзистора p-n-p структуры с общей базой Анализ трёх схем показывает, что наибольшее применение находит схема с общим эмиттером. На рисунках 1.19 и 1.20 изображены статистические характеристики транзистора p-n-p типа с общим эмиттером.  Рис. 1.19.Входные характеристики транзистора p-n-p типа с общим эмиттером Iб=f(Uэб) при Uэк=const  Рис. 1.20.Выходные характеристики транзистора p-n-p типа с общим эмиттером Iк=f(Uкэ) при Iб=const Линия АВ представляет нагрузочную характеристику транзистора. Точка А режима насыщения соответствует полному отпиранию транзистора при Uкэ = 0, а коллекторный ток при этом соответствует значению Iк = Екэ/Rн. Точка В режима отсечки соответствует полному запиранию транзистора при Uкэ = Екэ и Iк = 0. Точка С активного режима является рабочей точкой транзистора, в которую транзистор настраивается в режиме усилителя. 1.5. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Устройство полевого транзистора с управляющим p-nпереходом поясняется рисунком 1.21, на котором показаны условное обозначение транзистора и схема подключения к внешним питающим источникам. Полевой транзистор состоит из пластины с электронной проводимостью n, в которую встроены две пластины р проводимости. Торцевые области n проводимости имеют электроды исток (И) и сток (С), которые соединены с источником Еси. Минус источника подключен к истоку (И), а его плюс подключен к стоку (С). Пластины р проводимости закорочены и соединены с электродом затвор (З). Электроды З и И соединены с источником Ези в обратном направлении.  Рис. 1.21. Условное обозначение полевого транзистора с управляющим p-nпереходом и схема подключения его к внешним питающим источникам Если напряжение Uзи = 0 , то электроды И и С закороченыn-каналом, у которого сопротивление сток-исток равно нулю, а р-n переходы незначительны. При этом транзистор открыт, так как находится в режиме насыщения. С увеличением модуля отрицательного напряжения Uзи, сопротивление между электродами сток-исток будет увеличиваться до бесконечности, так как p-n переходы будут увеличиваться до закрытия n-канала. Транзистор закроется, и будет находиться в режиме отсечки. На рис. 1.22 изображены статические характеристики полевого транзистора.  Рис. 1.22. Совмещение выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом Iс = f(Uси) при Uзи = Const с входной характеристикой транзистора Iс = f(Uзи) при Uси = Const. 1.6. Динисторы, тиристоры. Устройство, принцип действия Четырёхслойный  кремниевый вентиль с двумя электродами анод (А) и катод (К) называется динистором. На рис. 3.23 изображены условное обозначение и схема включения динистора через нагрузочное сопротивление на источник питания. Рис. 1.23. Условное обозначение и схема включения динистора через нагрузочное сопротивление на источник питания Если между анодом (А) и катодом (К) приложить небольшое постоянное напряжение, в прямом направлении, то при этом p-n-переходы П1 и П3 будут открытыми и их сопротивления малы. Переход П2 будет закрыт, так как он включен в обратном направлении и его сопротивление велико. Вентиль будет закрыт. На рис. 1.24 изображена вольтамперная характеристика динистора, которая подобна ветви обратной характеристики диода. При увеличении прямого напряжения питания до напряжения включения  (точка а)  уменьшается сопротивление перехода П2 и динистор открывается (участок а-б-в), совпадая с характеристикой диода в прямом направлении, происходит образование свободных носителей зарядов (электронов и дырок). Рис. 1.24. Вольтамперная характеристика динистора Напряжение открытого динистора составляет примерно 1вольт (участок б-в). При напряжении питания  динистор закроется.На рис. 1.25 изображены условное обозначение и схема подключения к источникам питания и управления тиристора.  Рис. 1.25. Условное обозначение и схема подключения к источникам питания и управления тиристора Тиристор имеет три электрода анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ), который соединён со средней областью  . Если на управляющий электрод (УЭ) подать положительный потенциал от источника управления, то тиристор откроется при меньшем напряжении включения . Чем больше ток управления  , тем меньше напряжение тиристора. При токе управления  (спрямления) тиристор будет работать как диод. На рис. 1.26 изображена вольтамперная характеристика тиристора.  Рис. 1.26. Вольтамперная характеристика тиристора При напряжении тиристор закроется. При подаче на зажимы анод (А) и катод (К) обратного напряжения  , тиристор будет заперт обратно включенными переходами П1 и П3. Тиристоры имеют два устойчивых состояния: закрыт и открыт. При закрытом тиристоре его сопротивление равно бесконечности, при открытом тиристоре сопротивление равно нулю. Поэтому тиристоры применяются в бесконтактных переключателях, инверторах, выпрямителях, схемах защиты.1.7. Симисторы. Устройство, принцип действия Симисторы представляют собой симметричные динисторы и симметричные тиристоры. На рис. 1.27 изображены условное обозначение и схема подключения симметричного динистора к источникам прямого и обратного напряжения через нагрузочное сопротивление. Структурная схема симметричного динистора имеет пять областей с различными типами проводимостей:  . При приложении небольшого прямого напряжения  , запирающие  и  переходы симметричного динистора, открываются, а переход  останется закрытым. Увеличение прямого напряжения до приводит к открытию перехода и появлению прямого тока  . Аналогично призводится открытие переходов   ,  при приложении обратного напряжения  . Рис. 1.27.Условное обозначение и схема подключения симметричного динистора На рис. 1.28 изображена вольтамперная характеристика симметричного динистора.  Рис. 1. 28. Вольтамперная характеристика симметричного динистора Симметричные тиристоры отличаются от симметричных динисторов наличием двух управляющих электродов. На рис. 1.29 изображены условное обозначение и схема подключения симметричного тиристора к источникам прямого и обратного напряжения через нагрузочное сопротивление, а также к источникам управления через ограничительные сопротивления. В отличие от симметричных динисторов открытие симметричных тиристоров зависит от значений напряжений управления с положительными потенциалами, прикладываемых к управляющим электродам, а также от значений токов управления.  Рис. 1.29. Условное обозначение и схема подключения симметричного тиристора к источникам питания На рис. 1.30 изображена вольтамперная характеристика симметричного тиристора, которая показывает, что симистор может открываться при незначительных величинах прямых и обратных напряжений, и зависит только от значений токов управления.  Рис. 1.30. Вольтамперная характеристика симметричного тиристора, 1.8. Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения. На рис. 1 31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится слой полупроводника (сернистый свинец) 2, покрытый защитным лаком. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор крепится в пластмассовом корпусе 4, снабжённым слюдяным или стеклянным окошком 5, через которое проникает световой поток Ф, и выводятся электроды 3.  Рис. 1.31. Устройство фоторезистора На рис. 1.32 изображена схема подключения фоторезистора ФR к источнику питания E через нагрузочное сопротивление Rн.  Рис. 1.32. Схема подключения фоторезистора к источнику питания Вольтамперные характеристики фоторезистора приведены на рис. 1.33, из которых видно, что при неосвещённом фоторезисторе (  ), по цепи проходит темновой ток  . При этом фоторезистор имеет большое сопротивление, поэтому на нём падает значительное напряжение  . Если на фоторезистор направить световой поток, то, в зависимости от освещения, его сопротивление начнёт уменьшаться. Проходящий по цепи фототок  , будет равен разности светового и темнового токов  . При светововом потоке  , световой ток увеличивается до значения  . Падение напряжения фоторезистора уменьшиться до значения  . При полном освещении  , световой ток достигнет значения  , напряжение фоторезистора упадёт до значения  . Недостатком такого полупроводникового прибора является его инерционность.  Рис. 1.33. Вольтамперные характеристики фоторезистора К фотодиодам относятся полупроводниковые приборы, у которых область р-n-перехода подвергается воздействию световой энергии. Рисунок 1.34 поясняет принцип работы светодиода, который имеет два электрода анод А и катод К.  Рис. 1.34. Схема фотогенерации свободных зарядов фотодиода под действием фотонов света При отсутствии светового потока Ф р-n-переход П заперт. При освещении запирающего р-n-перехода происходит фотогенерация, фотоны света образуют пары электрон-дырка свободных зарядов, при этом свободные электроны переходят в слой n, свободные дырки - в слой p. Фотодиоды работают в двух режимах: генераторном и преобразовательном. На рис. 1.35 изображён фотодиод, работающий в генераторном режиме.  Рис. 1.35. Схема фотодиода, работающего в генераторном режиме Под действием светового излучения генерируется фотоЭДС  (около одного вольта) с полярностью анода (+), катода (-). В режиме короткого замыкания во вешней цепи и между слоями nи р фотодиода проходит максимальный обратный ток  при нагрузке  . Если включена нагрузка, то фототок уменьшается. В режиме холостого хода при  , фотоЭДС  , так как фототок будет равен нулю.Режим работы фотодиода  называется генераторным. Фотоэлементы, не требующие источника питания, находят широкое применение в электротехнике и автоматике. В генераторном режиме работают солнечные кремниевые батареи, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию.В режиме преобразователяв цепь фотодиода последовательно с нагрузкой включается источник ЭДС в запирающем (обратном) направлении. На рис. 1.36 изображён преобразовательный режим работы фотодиода.  Рис. 1.36. Схема фотодиода, работающего в преобразовательном режиме Если фотодиод неосвещён, то через него проходит незначительный темновой ток . При освещении запирающего перехода, фотодиод открывается и через него проходит световой ток  , величина которого зависит от значения светового потока. На рис. 1.37 приведены вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах.  Рис. 1.37. Вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах |