Тема 1. Элементная база радиотехники.

Электронная и дырочная проводимость в полупроводниках.

Полупроводниками называются кристаллические вещества электрические характеристики, которых занимают промежуточное место между характеристиками диэлектриков и проводников.

Особенностью полупроводников является то, что благодаря тепловому движению некоторые валентные электроны вырываются из своих связей и перемещаются по кристаллической решетке.

Валентная связь, из которой вырван электрон, называется дыркой, она обладает свойством положительного электрического заряда. Дырки могут перемещаться по кристаллической решетке как положительные заряды. В процессе перемещения по кристаллической решетке свободные электроны встречают дырки и заполняют их, такое явление называется рекомбинацией.

Проводимость полупроводников значительно возрастает, если в него ввести небольшое количество специально подобранных примесей.

Полупроводники проводимость которых обусловлена в основном избытком свободных электронов за счет введения примеси называются полупроводниками с электронной проводимостью, или полупроводниками типа n (от слова negative –отрицательный)

Полупроводники проводимость которых обуславливается в основном движением дырок, называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками типа р (от слова р – positive).

Сопротивление полупроводника имеет отрицательный температурный коэффициент в виду того, что с повышением температуры увеличивается (возрастает) проводимость полупроводника

Тема 1.1. Полупроводниковые диоды. Электронно-дырочный переход и его свойства. Вольтамперная характеристика перехода. Характеристики и применение стабилитронов (опорных диодов), туннельных диодов.

Полупроводниковый диод представляет собой контактное соединение полупроводников с различным характером электропроводимости р или n.

На Рис.1а электроны изображены кружками со знаком «минус», а дырки – кружками со знаком «плюс»

Когда положительный полюс источника напряжения прикладывается к р области, а отрицательный к n области (Рис.1б), дырки отталкиваются положительным потенциалом, а электроны – отрицательным. При этом в пограничном слое (р-n переходе) дырки и электроны движутся навстречу друг другу и происходит их рекомбинация. Вместе с тем через р-n переход проходит значительный ток и сопротивление перехода будет малым.

Принято говорить (в этом случае) что к р-n переходу приложено напряжение в прямом или в пропускном направлении.

Если полярность напряжения на зажимах полупроводникового диода изменить (Рис.1в), то есть к р области приложить отрицательный потенциал, а к n области положительный, то дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу источника питания, а электроны к положительному. Тогда дырки и электроны расходятся в противоположных направлениях и число рекомбинаций в единицу времени уменьшается, сопротивление р-n перехода увеличится. Таким образом в р-n переходе создается запорный барьер, так как напряжение приложено в диоду в обратном (запорном) направлении.

Благодаря своей способности пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом диод обладает выпрямляющим действием. Эффективность выпрямления пропорциональна отношению сопротивлений р-n перехода в запорном и пропускном направлениях.

Рис 1 Принцип работы полупроводникового диода

Свойства диода определяются его вольтамперной характеристикой (ВАХ) i=f(u) и параметрами.

Основными электрическими параметрами полупроводниковых диодов считаются:

- наибольший выпрямленный ток;

- максимальное допустимое обратное напряжение;

- сопротивление диода в прямом направлении,

- сопротивление диода в обратном направлении

Рис.2 Вольтамперная характеристика диода

Конструктивно полупроводниковые диоды разделяются на плоскостные и точечные, по назначению на выпрямительные, детекторные, смесительные, генераторные, варикапы и прочее, по диапазону рабочих частот – на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Полупроводниковые диоды используются широко для детектирования и преобразования радиосигналов в широком диапазоне частот и для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковые диоды экономичны, имеют малые габариты, высокую механическую прочность, большой срок службы.

Недостаток заметное влияние окружающей температуры на характеристики диода.

Отличительным свойством диодов называемых туннельными является наличие в ВАХ падающего участка при положительных значениях напряжения и высокая проводимость диода при отрицательных напряжениях.

Рис.3. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Наличие падающего участка на вольтамперной характеристике (отрицательного дифференциального сопротивления) позволяет широко использовать туннельные диоды в качестве переключателей, для генерирования гармонических и импульсных колебаний в очень широком диапазоне частот, достигающем 40000 МГц.

Достоинства туннельных диодов: независимость вольтамперной характеристики от температуры, низкий уровень шумов и прочие.

Изготавливаются на основе германия, кремния, арсенида галлия, и других полупроводниковых материалов.

Стабилитроны (опорные диоды) полупроводниковые стабилизаторы напряжения. Представляют собой плоскостной кремниевый диод работающий в области обратных напряжений ВАХ, поэтому включается в схему стабилизации напряжения источников питания обратной полярностью.

Для стабилизации малых напряжений (0.1-1.5 В) применяются специальные кремниевые диоды называемые стабисторами, которые работают в режиме прямого тока, поэтому включаются в схему в прямом направлении.

Варикапы (переводится переменная емкость) представляют собой полупроводниковые диоды с изменяющейся емкостью р-n перехода, которая зависит от приложенного к переходу напряжения. Отличительная особенность варикапов от других типов диодов – большая линейность изменения емкости от приложенного напряжения. Используются в качестве конденсаторов с управляемой емкостью в схемах автоматической подстройки частоты, частотной и фазовой модуляции и других.

Тема 1.2. Транзисторы. Биполярный транзистор. Принцип работы. Схемы включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Характеристики и параметры транзистора. Транзистор как усилитель. Полевые транзисторы. Принцип действия, характеристики, применение.

Полупроводниковые триоды, получившие название транзисторов (tran sfer re sistor — преобразователь сопротивлений), используются для усиления и генерации электрических колебаний. Полупроводни­ковый триод имеет три электрода: эмиттер, основание, или базу, и кол­лектор.

Для лучшего понимания принципа работы триода следует позна­комиться с явлением инжекции дырок и электронов в полупроводни­ках. Если на проволочное острие точечного диода или на р-область р —n перехода плоскостного диода подать положительное напряжение, то под действием положительного потенциала валентные электроны ближайших к р —n переходу атомов n-области будут перемещаться к острию или в р-область, и одновременно из острия или р-области бу­дут перемещаться дырки в n-область монокристалла германия. В дан­ном случае говорят, что n-область инжектирует электроны в р-область, а р-область инжектирует дырки в n-область

Полупроводниковые триоды, как и диоды, могут быть точечными и плоскостными. На рис.4 изображена схема устройства и включения плоскостного триода типа р—n—р. Он состоит из трех слоев полу­проводника: тонкого среднего слоя с электронной n-проводимостью и двух боковых слоев с дырочной р-проводимостью. Слой n является основанием, или базой, триода, а слой р служит эмиттером и коллекто­ром.

Между основанием и эмиттером приложено напряжение U_a (назы­ваемое эмиттерным) плюсом на эмиттер. Между основанием и коллек­тором действует напряжение U_K (называемое коллекторным) минусом на коллектор. Основание и коллектор, как нетрудно видеть из рис.4, образуют полупроводниковый диод, работающий в режиме обратного тока, поскольку при полярности приложенного напряжения электроны и дырки уходят от границы этих слоев и сопротивление перехода между ними увеличивается.

Эмиттер инжектирует дырки в средний слой л-типа. Благодаря ма­лой толщине n-слоя большинство инжектируемых дырок, за исклю­чением рекомбинировавшихся с электронами, доходит до^- границы между основанием и коллектором, и далее дырки свободно переходят в коллектор, поскольку напряжение, приложенное к коллектору, способствует переходу дырок из электронного слоя в дырочный.

На эмиттер, кроме постоянного, подается также переменное напря­жение сигнала, которое необходимо усилить. В момент положитель­ного полупериода число дырок, инжектируемых в основание, увели­чится, а ток в коллекторе возрастает, и на сопротивлении нагрузки R_n, включенном в цепь коллектора, выделяется усиленное напряже­ние. Эмиттер и основание в этот момент образуют диод, работающий в режиме прямого тока, что еще больше увеличивает ток в коллекторе за счет инжекции дырок и соответственно усиление.

Рассмотренная схема включения полупроводникового триода назы­вается схемой с общим (или заземленным) основанием или общей (за­земленной) базой.

Рис.4. Плоскостной транзистор p-n-p с общим основанием

Применяются также схемы усилителей на полупро­водниковых триодах с общим эмиттером (рис. 5).

Рис.5. Плоскостной транзистор p-n-p с общим эмиттером

Особенностью данной схемы является то, что в цепи, где включено усиливаемое переменное напряжение, проходит не ток эмиттера, а разность токов эмиттера I₁ и коллектора I₂. Так как эти токи близки по величине, то ток в цепи основания и источника усиливаемого напряжения оказывается в де­сятки раз меньше, чем ток эмиттера. Таким образом, при малом изменении тока на входе триода получаем в десятки раз большее значение тока через сопротивление нагрузки R_Н, т. е. имеем значи­тельное усиление.

Применяются также плоскостные триоды типа n-p-n. Принцип действия их аналогичен принципу действия триодов типа p-n-p, но, как следует из рис. 6, здесь требуется иметь обратную полярность питающих напряжений.

Рис.6. Плоскостной транзистор типа n-p-n

В отличие от триода p-n-p основание у триода типа n-p-n имеет дырочную электропроводимость, а неосновными носителями заряда являются электроны. Ввиду того, что подвижность электронов в германии значительно превышает подвиж­ность дырок, триоды типа n-p-n имеют преимущества при исполь­зовании их в схемах высокой частоты.

Рис.7. Схемы включения транзисторов:

а – с общим эмиттером; б- с общей базой; в – с общим коллектором

Свойства транзисторов определяются их статическими характе­ристиками. Основными являются входные и выходные статические ха­рактеристики. Входной характеристикой транзистора называется за­висимость его входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на выходе.

Рис.8. Характеристики транзистора:

а – входная; б-выходная

По частотным свойствам транзисторы разделяются на низко­частотные (f ≤3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f< 30 МГц), вы­сокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц) и сверхвысокочастотные (f > > 300 МГц).

Шумовые качества транзисторов. Особенно значительны шумы транзисторов на низких частотах — достигают 20—30 дБ. При часто­тах выше 100—200 кГц уровень шумов, как правило, снижается, но затем при частотах, больших нескольких мегагерц, снова растет.

Несмотря на отмеченные не­достатки, а также зависимость параметров от окружающей темпера­туры и значительный разброс параметров, транзисторы имеют малые габариты и массу, высокую механическую проч­ность и большой срок службы, поэтому, так же как и полупроводниковые диоды, широко используются в судовой радио­локационной, радионавигационной и другой радиотехнической аппа­ратуре.

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах используется только один тип носителей – электроны или дырки и управление током осуществляется поперечным электрическим полем

Полевой транзистор с р-n-переходом состоит из тонкой пластинки полупроводника с электронной проводимостью На обе стороны пластинки нанесены тонкие слои полупроводника с дырочной проводимостью. На границах между полупроводниками разных типов создаются р-п переходыМежду этими переходами образуется узкий канал. К торцам пластинки присоединены выводы. Вывод, через который в канал втекают носители заряда называется истоком, а вывод, через который носители заряда вытекают из канала,— стоком. Отводы от полупроводника типа Р соединяются между собой. Общий вывод от них называется затвором, который является управляющим электродом.

Рис. 9 Полевой транзистор: 1 – исток; 2 – затвор; 3 – сток; 4 – канал; 5 – пластинка германия

При отсутствии U_вх в направлении от истока к стоку протекает поток электронов — основных носителей за­ряда. Возникающий начальный ток за­висит от напряжения стока U_c и сопро­тивления канала. Чем больше отрица­тельное напряжение на затворе, тем шире будут р-п переходы и более узким становится канал, его сопро­тивление увеличивается, а ток в цепи стока уменьшается.

При включении U_ex напряжение на зажимах затвор — сток будет пере­менным. Ширина канала начнет изме­няться, и это вызовет изменение тока в цепи стока.

Из выходных вольтамперных ха­рактеристик полевого транзистора /_с = =f(U_c) при c/₃=const видно, что с увеличением отрицатель­ного напряжения на затворе максимум тока истока уменьшается.

Рис.10 Выходные вольтамперные характеристики полевого транзистора

Полевые транзисторы отличаются, кроме того, большой скоростью пере­ключения, поэтому их применяют в импульсных схемах и усилителях при работе от источника сигналов с большим выходным сопротивлением.

Кроме изменения ширины р-п перехода, сопротивление канала можно также изменять регулированием напря­жения на затворе, изолированном от объема полупроводника. Такие по­левые транзисторы называются с изо­лированным затвором или МДП (со структурой металл — диэлектрик — полупроводник). Если в качестве ди­электрика в транзисторах применяют окисел (двуокись кремния), то их на­зывают МОП-транзисторами. Они могут быть со встроенным каналом или индуцированным каналом.

Кроме высокого входного сопро­тивления, к преимуществам униполяр­ных транзисторов следует отнести простоту изготовления, низкий уровень шумов, слабую зависимость параметров от температуры, сравнительно высокую радиационную стойкость. МДП-транзисторы отличаются также универсаль­ностью применения. Например, он мо­жет быть использован в интегральных схемах в качестве диода, резистора, конденсатора, триода.

Рис. 11 Устройство МДП – транзистора: 1 – исток; 2 – диэлектрик; 3 – затвор; 4 – сток; 5 – полупроводник типа с проводимостью n; 6 – канал; 7 – полупроводник с проводимостью типа р

Рис.12 графическое обозначение полевых транзисторов:

а– с p-n переходом и р каналом; б - с p-n переходом и n каналом;

в – МДП с встроенным р каналом; г - МДП с встроенным n каналом;

д - МДП с индуцированным р каналом; е -

МДП с индуцированным n каналом

Тема 1.3. Динистор и тринистор. Устройство и принцип действия. Характеристики и параметры. Применение тиристоров

Тиристоры, или переключающие диоды, представляют собой четы-рехслойные транзисторы со структурой р — п — р — п (либо п — р — п—р) с четырьмя областями различной электропроводности (рис.12 ).

Рис.12 Структура тиристора (управляемого диода)

Рис.13 Вольтамперная характеристика тиристора

Вольтамперная характеристика тиристора показана на рис.13. Из характеристики видно, что тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях. Первое состояние характеризуется малым значением тока и большим падением напряжения. Второе устойчивое состояние соответствует малому падению напряжения на зажимах ти­ристора и большой величине тока. Для перевода тиристора из не­проводящего состояния в проводящее обычно меняют ток базы в од­ном из эквивалентных триодов, для чего от одной из баз делают вывод для включения в схему (рис.12 ).

Тиристоры разделяются по количеству выводов и способу управления. Тиристор с двумя выводами — неуправляемый переключающий диод — называется динистором. Включается и выключается динистор путем изменения значения и полярности питающего напряжения. Динисторы применяются главным образом в качестве переключателей и включаются в схему последовательно с нагрузкой.

Тиристор с тремя выводами — управляемый и называется тринистором. Он состоит из чередующихся слоев кремния со структурой PNPN, разделенных тремя переходами: эмиттерным ЭП1,коллекторным КП2 и эмиттерным ЭПЗ (рис.11). Крайние слои Э1 и Э2 называются эмиттерными, а средние Б1,Б2 - базовыми.

В цепь базы Б2 включается регулируемый источник питания, напряжение которого должно быть прямым по отношению к переходу ЭПЗ. С помощью этого электрода тиристор (тринистор):переводится из закрытого состояния в открытое путем регулирования тока i_o2 управления.

Для повышения точности момента переключения тиристора на его вход следует подавать запускающие импуль­сы с крутым фронтом. Для выключе­ния тиристора (тринистора) необходи­мо, чтобы напряжение на его зажимах уменьшалось до нуля или на короткий промежуток времени было отрица­тельным.

В целях предотвращения перегрузки по напряжению или току на практике часто используется последовательное и параллельное включения тиристоров. В качестве задающих генераторов, управляющих работой тиристоров, используются мультивибраторы, блокинг-генераторы

В соответствии с действующей системой маркировки полупроводниковые диоды и транзисторы имеют обозначения из четырех элементов.

Первый элемент, состоящий из буквы или цифры, означает исходный материал: Г или 1 — германий; К или 2 — кремний; А или 3 — арсенид галлия. Буквенные обозначения относятся к германиевым прибо­рам, работающим при температуре до +60° С, и кремниевым, работающим при температуре до +85° С. Цифровые обозначения присваивают­ся приборам, которые рассчитаны на более высокие температуры.

Второй элемент — буква — характеризует тип полупроводнико­вого прибора: Д — диоды; Ц — выпрямительные столбы и блоки; А — сверхвысокочастотные диоды; С — стабилитроны; И — туннель­ные диоды; В — варикапы; Т — транзисторы; Н — неуправляемые многослойные переключающие приборы (тиристоры); У — управля­емые многослойные переключающие приборы (тиристоры); Ф — фо­топриборы.

Третий элемент — число — указывает на назначение и электриче­ские свойства прибора, например, для низкочастотных полупровод­никовых диодов:

от 101 до 199 - выпрямительные диоды малой мощности,

от 201 до 299 выпрямительные диоды средней мощности,

от 301 до 399 выпрямительные диоды большой мощности,

от 401 до 499 универсальные диоды,

от 501 до 599 импульсные диоды.

Для диодов сверхвысокой частоты третий элемент означает:

от 101 до 199 — смесительные диоды СВЧ,

от 201 до 299 — видеодетекторы.

Транзисторы малой мощности имеют следующие обозначения:

от 101 до 199 — транзисторы низкой частоты,

от 201 до 299 — транзисторы средней частоты,

от 301 до 399 — транзисторы высокой частоты.

У транзисторов средней мощности применяются обозначения:

от 401 до 499 — транзисторы низкой частоты,

от 501 до 599 — транзисторы средней частоты,

от 601 до 699 — транзисторы высокой частоты.

Для транзисторов большой мощности:

от 701 до 799 — транзисторы низкой частоты,

от 801 до 899 — транзисторы средней частоты,

от 901 до 999 — транзисторы высокой частоты.

У неуправляемых и управляемых многослойных переключающих приборов (тиристоров) третий элемент означает:

от 101 до 199 — приборы малой мощности,

от 201 до 299 — приборы средней мощности,

от 301 до 399 — приборы большой мощности.

Четвертый элемент — буква — указывает на разновидность при­бора.

Ранее разработанные и применяемые до настоящего времени полу­проводниковые диоды и транзисторы имеют обозначения из трех эле­ментов. Первый элемент — буква — означает тип прибора: Д — полу­проводниковый диод, П — плоскостной транзистор. Второй элемент в виде числа характеризует исходный материал или назначение при­бора:

от 1 до 100 — точечные германиевые диоды,

от 101 до 200 — точечные кремниевые диоды,

от 401 до 500 — смесительные СВЧ диоды,

от 601 до 700 — видеодетекторы,

от 951 до 1000 — туннельные диоды.

Для транзисторов второй элемент означает:

от 1 до 100 — маломощный германиевый низкочастотный,

от 101 до 200 — маломощный кремниевый низкочастотный,

от 401 до 500 — маломощный германиевый высокочастотный,

от 501 до 600 — маломощный кремниевый высокочастотный.

Третий элемент — буква —• указывает на разновидность прибора

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: