ответы на билеты. Ответы на билеты № 1141709. Ответы на билеты Вопрос Характеристика и параметры p n перехода. Ответ

• Название: Ответы на билеты Вопрос Характеристика и параметры p n перехода. Ответ
• Анкор: ответы на билеты
• Дата: 08.02.2023
• Размер: 312.48 Kb.
• Имя файла: Ответы на билеты № 1141709.docx
• Тип: Документы; #927378

Ответы на билеты
Вопрос 8.

Характеристика и параметры p – n перехода.
Ответ.

P – n переходом называется контакт двух объектов полупроводника

противоположного типа проводимости. Граница между p и n областями представляет собой кристаллографическую плоскость в полупроводнике с шириной запрещенной зоны Eg, с одной стороны которой он легирован мелкой примесью до концентрации N_D, а с другой стороны – мелкой акцепторной примесью до концентрации N_A.

 Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей, при этом, проводник приобретает проводимость n-типа.

Введение 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов.

Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

    Если полупроводники  с разными типами проводимости  привести  в соприкосновение технологическим путем, то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность  занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n переход проявляет совершенно различные свойства. Можно считать, что электрический ток через р-n переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U).

Дифференциальное сопротивление перехода (r_пер ) есть сопротивление для приращений тока ΔI , малых по сравнению с постоянной составляющей тока I, определяющей величину r_пер , другими словами, r_пер – сопротивление перехода переменному току в заданной точке ВАХ.

   Пробоем называют резкое изме­нение режима работы перехода, находящегося под обрат­ным напряжением. Характерной особенностью этого из­менения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода (R_диф).

P-n переход обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость С_бар, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость С_диф, отражающую перераспределение носителей зарядов в базе. Барьерная емкость увеличивается с ростом N_а и N_д, а также с уменьшением обратного напряжения. Диффузионная емкость представляет собой отношение приращения инжекционного заряда dQ_инж к вызвавшему его изменению напряжения dU_пр.

Полная емкость р-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей.





Вопрос 14.

Конструкция, условное обозначение, параметры и область применения туннельных диодов. Приведите примеры маркировки туннельных диодов.
Ответ.

Особенностью устройства туннельного диода является очень узкий p-n переход и значительное количество присадок. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.

Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:

-электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;

-потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;

-наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.

Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике (рис. 1).

Рис. 1. ВАХ туннельного диода
Как можно увидеть из рис.1, на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.

Условное обозначение туннельного диода приведено на рисунке 2.

Рис. 2. Условное обозначение туннельного диода
Основными параметрами туннельных диодов являются следующие:

-ток пика – максимальный ток прямого направления;

-пиковое напряжение, характерное для тока пика;

-минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;

-напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;

-емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.

Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.

Туннельные диоды применяются:

-в качестве высокоскоростного выключателя;

-в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;

-для получения и усиления электромагнитных колебаний;

-в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.

В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию. Примеры маркировок туннельных диодов:

1И102А; ГИ304А; 3И102Д; АИ201К.

Вопрос 28.

Вольт-амперные характеристики тиристоров.
Ответ.

Вольтамперные характеристики тиристоров относятся к S-образным характеристикам приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ тиристора имеет несколько различных участков (рис. 3).


Рис. 3. ВАХ тиристора
На рисунке 3 приведены следующие обозначения:

V_G  – напряжение между анодом и катодом;

I_у, V_у – минимальные удерживаемые ток и напряжение;

I_в, V_в – ток и напряжение включения.

Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.

Положительным считается направление тока, втекающего в анодную область р-типа электропроводности, к которой подсоединен положительный полюс источника питания. Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением.

В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П3, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении.

Точку, для которой напряжение на прямой ветви ВАХ тиристора максимально, называют точкой включения. Напряжение на аноде, соответствующее этой точке, называют напряжением включения U_в, а ток – током включения I_в.

В точке переключения дифференциальное сопротивление обращается в нуль, а напряжение на структуре достигает максимального значения, равного напряжению включения U_в.

Если уменьшать ток через тиристор, то по достижении некоторого минимального тока, который необходим для поддержания его в открытом состоянии, называемого током выключения I_выкл или I_у (удерживающим), происходит переключение в закрытое состояние.

ВАХ тиристора в двухэлектродном включении представляет собой зависимость напряжения на аноде в функции тока анода U_A(I_A). При двухэлектродном включении тиристора ток управления равен нулю (I_У=0) и поэтому ток анода равен току катода I_A = I_K = I.

Вопрос 40.

Приведите схемы различных видов межкаскадных связей в транзисторных усилителях и объясните их особенности.
Ответ.

В транзисторных усилителях существует четыре вида схем межкаскадной связи:

1. Гальваническая;

2. Резисторная;

3. Трансформаторная;

4. Дроссельная.

Используются также комбинации и видоизменения этих схем. Название усилительного каскада определяется применённой в нём схемой межкаскадной связи (например, резисторный каскад, трансформаторный каскад и т.д.).

Гальваническая межкаскадная связь реализуется посредством элементов, обладающих проводимостью сколь угодно медленных изменений тока (проводников, резисторов, стабилитронов, гальванических элементов и пр.). Каскады с гальванической связью разделяются на каскады с прямой (непосредственной) связью и каскады с потенциометрической связью. В каскадах с непосредственной связью выходной электрод предыдущего каскада соединяется входным электродом последующего непосредственно, а питание и смещение на них поступают через резистор R (рис.4).


Рис. 4. Каскады с непосредственной гальванической связью
В каскадах с потенциометрической связью сигнал на следующий каскад передаётся через делитель напряжения (потенциометр), состоящий из резисторов R1 и R2, а питание выходной цепи и смещение во входную цепь подаются через резисторы R4 и R3 соответственно (рис. 5).


Рис. 5. Каскады с потенциометрической гальванической связью
Достоинством каскадов с гальванической связью является их способность усиливать сигналы сколь угодно низкой частоты наряду с усилением средних и высоких частот. Недостатком этих каскадов является дрейф нуля и сложность обеспечения нормального режима работы УЭ в многокаскадном усилителе с одним источником питания. Недостатком каскадов с потенциометрической связью является несколько пониженное усиление и необходимость наличия дополнительного источника питания.

В каскадах с резисторной связью используется резисторная (точнее резисторно-конденсаторная) схема межкаскадной связи. Здесь через резистор R_К на коллектор транзистора подаётся питающее напряжение, и на этом же резисторе выделяется напряжение усиленного каскадом сигнала. Разделительный конденсатор С3 преграждает путь постоянной составляющей напряжения из выходной цепи на вход следующего каскада (рис. 6).



Рис. 6. Каскады с резисторной связью
Резисторные каскады не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и позволяют обеспечить необходимые напряжения на УЭ при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Эти каскады могут усиливать сигналы в очень широкой полосе частот, потребляют малую мощность от источника питания, нечувствительны к магнитным полям, имеют малые габариты, вес и стоимость. Поэтому резисторные каскады наиболее употребительны в качестве каскадов предварительного усиления.

В каскадах с трансформаторной межкаскадной связью, используется трансформатор Т_р, через первичную обмотку которого, включаемую в выходную цепь УЭ, на коллектор подается напряжение питания, а к вторичной присоединяют входную цепь следующего каскада. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает в ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада (рис. 7).



Рис. 7. Каскады с трансформаторной связью
Коэффициент усиления по напряжению у трансформаторных каскадов обычно в 2 – 10 раз выше, чем у резисторных, но усиливаемая полоса частот много уже. Размеры, вес и стоимость трансформаторного каскада в несколько раз больше тех же параметров резисторного каскада; трансформатор чувствителен к наводкам от внешних магнитных полей. Но применение трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации позволяет создать для УЭ каскада оптимальное сопротивление нагрузки и получить наибольшую мощность и сигнала при хорошем КПД. Поэтому, несмотря на недостатки, трансформаторные каскады очень часто используют для мощного усиления сигналов с неширокой полосой частот (например, звуковых).

Дроссельная схема связи аналогична резисторной, но резистор в цепи коллектора заменен дросселем (рис. 8). Назначение деталей схемы такое же, как и соответствующих деталей резисторного каскада.



Рис. 8. Каскады с дроссельной связью
Дроссельная схема связи позволяет повысить напряжение питания на коллекторе вследствие малого сопротивления дросселя постоянному току и получать даже больший КПД, чем у трансформаторного каскада. Коэффициент усиления дроссельных каскадов немного выше, чем у резисторных; полоса усиливаемых частот меньше, чем у резисторных, но больше, чем у трансформаторных каскадов.

В настоящее время, дроссельные каскады применяются редко, так как для предварительного усиления целесообразнее применять резисторные каскады, дающие практически то же усиление, но имеющие гораздо более широкую полосу пропускания, меньший вес и стоимость.


Вопрос 46.

Начертите схему транзисторного генератора синусоидальных колебаний с самовозбуждением, объясните назначение каждого элемента, принцип работы, область применения.
Ответ.
Электронными генераторами называются устройства, преобразующие электрическую энергию источника постоянного тока (источника питания) в энергию электрических колебаний заданных формы и частоты. Генераторы, формирующие синусоидальные колебания, называются генераторами синусоидальных, или гармонических колебаний. 

По принципу управления генераторы разделяются на две группы – генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним ( независимым) возбуждением. 

Схема автогенератора (рис. 9) содержат усилитель, охваченный обратной связью. Для реализации автогенератора синусоидальных колебаний элементы схем либо усилителя, либо ОС необходимо выбирать с явно выраженными частотными свойствами.

Автогенераторы, выполненные на основе схемы резонансного усилителя, часто называют автогенераторами типа LC , а автогенераторы, построенные на основе схемы усилителя на RC цепях,– автогенераторами типа RC или RC генераторы. Генерирование колебаний с частотами меньше 15 – 20 кГц на резонансных LC контурах затруднено и неудобно из-за их громоздкости. В низкочастотном диапазоне широко используются генераторы типа RC .Они могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу.

Рис. 9. Транзисторный автогенератор типа LC
Назначение элементов схемы:

-R1 и R2 – делитель напряжения для подачи напряжения смещения на базу транзистора;

-R_э C_э – цепь автоматического смещения рабочей точки на характеристиках транзистора и термостабилизации транзистора;

LC – параллельный колебательный контур;

L_св – катушка положительной обратной связи;

C_р – конденсатор для соединения одного из концов катушки связи с общей шиной (заземления) по переменному току.

В момент подключения автогенератора к источнику питания в коллекторной цепи транзистора появляется переменный коллекторный ток из-за наличия в колебательном контуре случайных колебаний электрических зарядов.

Обратная связь трансформаторного типа осуществляется с помощью катушки связи L_св – она управляет работой транзистора. Катушка L_св индуктивно связана с катушкой L, т.е. находится в ее магнитном поле.

Проходя через катушку L переменный ток создает вокруг нее переменное магнитное поле, изменяющееся с частотой

В катушке обратной связи L_св, наводится ЭДС индукции – переменное напряжение той же частоты. Оно прикладывается между базой и эмиттером транзистора. Это напряжение вызывает пульсацию коллекторного тока при отпирании и запирании транзистора.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи, которое влечет за собою новое нарастание амплитуды тока коллектора и т. д.

Являясь первоисточником электрических колебаний, автогенераторы

широко используются в радиопередающих и радиоприемных устройствах, в

измерительной аппаратуре, в электронных вычислительных машинах, в устройствах телеметрии и т. д.

Вопрос 54.

Перечислите основные схемы выпрямления переменного тока на полупроводниковых диодах. Вычертите схему однополупериодного выпрямителя и объясните принцип его работы с помощью графиков напряжения и тока.
Ответ.

Схемы построения выпрямителей переменного напряжения можно поделить на однофазные и трехфазные, однополупериодные и двухполупериодные (мостовые).

На рисунке 10 приведена схема однофазного однополупериодного выпрямителя переменного тока.

Рис. 10. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя
Графики напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и диоде, представлены на рис. 11.






Рис. 11. Графики напряжений и токов схемы при работе на активную нагрузку




 

Под действием ЭДС вторичной обмотки e₂ ток в цепи нагрузки i_d может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток i_vd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю.

Выпрямленное напряжение u_d в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e₂, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого диода.

Максимальное обратное напряжение на диоде U_обрmax, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E_2m.

 График первичного тока трансформатора подобен диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую I_d, которая в первичную обмотку не трансформируется.

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называется –  вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком данной схемы.    

В  результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.