Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ЕМСТ_1_2
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
ІКТА
Факультет:
УІ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
3.6. ПОСЛІДОВНЕ І ПАРАЛЕЛЬНЕ З'ЄДНАННЯ
При випрямленні більш високих напружень доводиться з'єднувати діоди послідовно, з тим щоб зворотна напруга на кожному діоді не перевищувала граничного значення. Але внаслідок розкиду зворотних опорів у різних зразках діодів одного і того ж типу на окремих діодах зворотна напруга може виявитися вищою за граничну, що може спричинити пробій діодів. Пояснимо це прикладом.
Нехай в деякому випрямлячі амплітуда зворотної напруги становить 1000 В і застосовані діоди з Uзв макс = 400 В. очевидно, що необхідно з'єднати послідовно не менше трьох діодів. Припустимо, що зворотні опори діодів Rзв1 =Rзв2 =1 МОм , а Rзв3= 3 MOM.
Зворотна напруга розподіляється пропорційно зворотним опорам, і тому вийде Uзв1 = Uзв2 = 200 В, а Uзв3 = 600 В. На третьому діоді (до речі, він є найкращим, оскільки у нього найбільше значення Rзв) зворотна напруга вища за граничну, і він може пробитися. Якщо це станеться, то напруга 1000 В розподілиться між діодами, що залишилися і на кожному з них буде 500 В. Ясно, що будь-який з цих діодів може пробитися, після чого вся зворотна напруга 1000 В буде прикладена до одного діода, який його не витримає. Такий послідовний пробій діодів іноді відбувається за долі секунди.
Для того щоб зворотна напруга розподілялося рівномірно між діодами незалежно від їх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами (рис.3.13). Опори Rш резисторів повинні бути однакові і значно менше найменшого із зворотних опорів діодів. Але разом з тим Rш не повинен бути дуже малим, щоб понадміру не зріс струм при зворотній напрузі, тобто щоб не погіршилося випрямлення. Для розглянутого прикладу можна взяти резистори з опором 100 ком. Тоді при зворотній напрузі опір кожної ділянки кола, що складається з діода і шунтуючого резистора, буде трохи менше 100 ком і загальна зворотна напруга розділиться між цими ділянками приблизно на три рівні частини. На кожній ділянці ця напруга виявиться меншою за 400 В і діоди будуть працювати надійно. Звичайно шунтуючі резистори мають опір від декількох десятків до декількох сотень кілоом.
Паралельне з'єднання діодів застосовують в тому випадку, коли необхідно отримати прямий струм, більший за значення граничного струму одного діода. Але якщо діоди одного типу просто з'єднати паралельно, то внаслідок неоднаковості вольт-амперних характеристик вони виявляться не однаково навантаженими, а в деяких струм буде більшим граничного. Відмінність у прямому струмі у однотипних діодів може складати десятки відсотків.
Для прикладу на рис.3.14, показані характеристики прямого струму двох діодів одного і того ж типу, у яких Iпр mах = 0,2 А. Нехай від цих діодів потрібно отримати прямий струм 0,4 А. Якщо їх з'єднати паралельно, то при струмі 0,2 А на першому діоді напруга буде складати 0,4 В (крива 1). А на другому діоді при такому ж значенні напруги струм буде лише 0,05 А (крива 2). Таким чином, загальний струм становитиме 0,25 А, а не 0,4 А. Збільшувати напруги на діодах не можна, оскільки в першому діоді струм стане більшим граничного значення.
З характеристик видно, що для отримання у другому діоді струму 0,2 А треба мати на ньому напругу 0,5 В, тобто на 0,1 В більше, ніж на першому діоді. Тому, щоб встановити правильний режим роботи діодів, треба підвести до них напруги 0,5 В, але послідовно з першим діодом ввімкнути вирівнюючий резистор (рис. 3.14.б) з метою поглинання зайвої для першого діода напруги 0,1 В. Ясно, що опір цього резистора RВ = 0,1 В / 0,2 А = 0,5 Ом. При наявності такого резистора обидва діоди будуть навантажені однаково струмом в 0,2 А.
Практично рідко вмикають паралельно більше трьох діодів. Вирівнювальні резистори з опором в десяті долі ома або одиниці ом звичайно підбирають експериментально до отримання в робочому режимі однакових струмів у діодах. Іноді вмикають вирівнювальні резистори з опором, в декілька разів більшим, ніж прямий опір діодів, для того щоб струм у кожному діоді визначався головним чином опором RВ. Але в цьому випадку відбувається додаткове падіння напруги на RВ, що перевищує в декілька разів пряму напругу діодів, і ККД, звичайно, знижується. Якщо небажано вмикати вирівнювальні резистори, то треба підібрати діоди з приблизно однаковими характеристиками. Однак рекомендується по можливості не вдаватися до паралельного з'єднання діодів.
3.7. ІМПУЛЬСНИЙ РЕЖИМ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
У багатьох сучасних радіоелектронних пристроях напівпровідникові діоди часто працюють в імпульсному режимі при тривалості імпульсів, рівній одиницям або часткам мікросекунди. Розглянемо особливості цього режиму на прикладі, коли діод сполучений послідовно з навантаженням, опір якого RН у багато разів більше прямого опору діода (Rн >> Rпр). Нехай таке коло знаходиться під дією імпульсної напруги, яка складається з короткого імпульсу прямої напруги (додатний імпульс), що відмикає діод, і більш тривалого імпульсу зворотної напруги (від’ємний імпульс), що надійно замикає діод до приходу наступного додатного імпульсу. Імпульси напруги мають прямокутну форму (рис.3.15, а).
Графік струму, а отже, і пропорційної йому напруги на RН показаний для цього випадку на рис. 3.15.б). При прямій напрузі струм в колі визначається опором RH. Хоч прямий опір діода нелінійний, але він майже не впливає на струм, оскільки у багато разів менший RH. Тому імпульси прямого струму майже не спотворені. Деякі порівняно невеликі спотворення можуть спостерігатися тільки при дуже коротких (тривалістю в долі мікросекунди) імпульсах.
При зміні полярності напруги, тобто при подачі зворотної напруги, діод закривається не відразу, а протягом деякого часу проходить імпульс зворотного струму (рис.3.15.б), який значно перевищує за амплітудою зворотний струм встановленому режимі Ізв.вст. Причини виникнення імпульсу зворотного струму такі ж, як і при роботі діода на високих частотах. Головна причина - це розряд дифузійної ємності, тобто розсмоктування зарядів, створених рухливими носіями в n і р-областях. Оскільки концентрації домішок в цих областях звичайно, суттєво відрізняються, то практично імпульс зворотного струму формується за рахунок розсмоктування заряду, нагромадженого в базі, тобто в області з відносно малою провідністю. Наприклад, якщо n-область є емітером, а р-область базою, то при прямому струмі можна нехтувати потоком дірок з р-області в n-область і розглядати тільки потік електронів з n-області в р-область.
Цей дифузійний потік через перехід спричиняє нагромадження електронів в р-області, оскільки вони не можуть відразу рекомбінувати з дірками або дійти до виводу від р-області. При зміні полярності напруги нагромаджений в базі заряд починає рухатися в зворотному напрямку і виникає імпульс зворотного струму. Чим більше був прямий струм, тим більше електронів нагромаджувалося в базі і тим більший імпульс зворотного струму. Рухаючись від бази зворотно в емітера, електрони частково рекомбінують з дірками, а частково проходять через n-область до металевого виводу від цієї області.
Зникнення (розсмоктування) заряду, нагромадженого в базі, триває деякий час. До кінця розсмоктування зворотний струм досягає свого сталого, дуже малого, значення Ізв.вст. Інакше можна сказати, що зворотний опір діода Rзв спочатку є порівняно невеликим, а потім поступово зростає до свого нормального сталого значення.
Час τвід від моменту виникнення зворотного струму до моменту, коли він приймає стале значення, називають часом відновлення зворотного опору. Цей час - важливий параметр діодів, призначених для роботи в імпульсному режимі. У таких діодів τвід не перевищує десятих часток мікросекунди. Чим воно менше, тим краще: тоді діод швидше закривається.
Друга причина виникнення імпульсу зворотного струму - заряд ємності діода під дією зворотної напруги. Зарядний струм цієї ємності складається з струмом розсмоктування заряду, і в результаті виходить сумарний імпульс зворотного струму, який тим більше, чим більша ємність діода. Ця ємність у спеціальних діодів призначених для роботи в імпульсному режимі не перевищує одиниць пікофарад.
Якщо імпульс прямого струму має тривалість значно більшу, ніж тривалість розглянутих перехідних процесів, то імпульс зворотного струму виходить у багато разів більш коротким рис. 3.15, в) і його можна не брати до уваги.
Імпульсні діоди, крім параметрів τвід і Сд, характеризуються ще рядом параметрів. До них відносяться постійна пряма напруга Uпр, постійний прямий струм Iпр, зворотний струм Iзв, зворотна напруга Uзв, максимально допустима зворотна напруга Uзв.mах і значення імпульсного прямого струму Iпр імп. і максимального прямого імпульсного струму Імакс пр.
3.8. ОСНОВНІ ТИПИ НАПІВРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
Напівпровідникові діоди поділяються на групи за багатьма ознаками. Бувають діоди з різних напівпровідникових матеріалів, призначені для низьких або високих частот, для виконання різних функцій і відмінні один від одного за конструкцією. У залежності від структури розрізнюють точкові і площинні діоди. У точкових діодів лінійні розміри, що визначають площу n-р-переходу, такі ж, як товщина переходу, або менші за неї. У площинних діодів ці розміри значно більше товщини переходу.
Точкові діоди мають малу ємність n-р-переходу (звичайно менше за 1 пФ) і тому застосовуються на будь-яких частотах аж до НВЧ. Але вони можуть пропускати струми не більше за одиниці або десятки міліампер. Площинні діоди в залежності від площі переходу мають ємність порядку десятки пікофарад. Тому їх застосовують на частотах не вище за десятки кілогерц. Допустимий струм в площинних діодах буває від десятків міліампер до сотень ампер.
Основою точкових і площинних діодів є пластинки напівпровідника, вирізані з монокристала, що має у всьому своєму об'ємі правильну кристалічну будову. В якості напівпровідникові речовини для точкових і площинних діодів застосовують частіше за все германій і кремній, а останнім часом також арсенід галію (GaAs) та інші з'єднання.
Принцип побудови точкового діода схематично показаний на рис.3.16. Тонкий загострений провідник (голка) з нанесеною на неї домішкою приварюється за допомогою імпульсу струму до пластинки напівпровідника з певним типом електропровідності. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Цей процес називається формуванням діода. Таким чином, біля голки утворюється мініатюрний n-р-перехід півсферичної форми. Отже, різниця між точковими і площинними діодами полягає в площі n-р-переходу.
Германієві точкові діоди звичайно виготовляються з германію n-типу з порівняно великим питомим опором. До пластинки германія приварюють провідник з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептор. Отримана область германію р-типу виконує функцію емітера. Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовуються кремній n-типу і голка, покрита алюмінієм, який служить акцептор для кремнію.
Площинні діоди виготовляються головним чином методами сплавлення або дифузії (рис.3.17). У пластинку германію n-типу вплавляють при температурі біля 500 °С краплю індію, яка, сплавляючись з германієм, утворить шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка порівняно високоомного германію, і тому є емітером. До основної пластинки германію і до індію припаюють вивід, звичайно з нікелю. Якщо за початковий матеріал взятий високоомний германій р-типу, і в нього вплавляти сурму і тоді формується емітерна область n-типу.
Потрібно зазначити, що сплавним методом отримують так звані різкі, або сходинчаті, n-р-переходи, в яких товщина області зміни концентрації домішок значно менше товщини області об'ємних зарядів у переході.
Дифузійний метод виготовлення n-p-переходу оснований на тому, що атоми домішок дифундують в основний напівпровідник. Речовина домішок при цьому звичайно знаходиться в газоподібному стані. Для того, щоб дифузія була інтенсивною, основний напівпровідник нагрівають до більш високої температури, ніж при методі сплавлення. Наприклад, пластинку германію n-типу нагрівають до 900 °С і поміщають в пари індію. Тоді на поверхні пластинки утвориться шар германію р-типу. Змінюючи тривалість дифузії, можна досить точно отримувати шар потрібної товщини. Після охолоджування його видаляють шляхом травлення з всіх частин пластинки, крім однієї грані. Дифузійний шар грає роль емітера. Від нього і від основної пластинки роблять виводи. При дифузійному методі атоми домішок проникають на відносно велику глибину в основний напівпровідник, і тому n-р-перехід виходить плавним, тобто в ньому товщина області зміни концентрації домішки співмірна з товщиною області об'ємних зарядів.
Випрямляючі площинні діоди. Широко поширені низькочастотні випрямляючі діоди, призначені для випрямлення змінного струму з частотою до одиниць кілогерц (іноді до 50 кГц). Ці діоди застосовуються у випрямляючих пристроях для живлення різної апаратури. Іноді їх називають силовими діодами. Низькочастотні діоди є площинними і виготовляються з германію або кремнію. Вони діляться на діоди малої, середньої і великої потужності, що відповідає граничним значенням випрямленого струму до 300 мА, від 300 мА до 10 А і вище за 10 А. Всі параметри діодів звичайно вказуються для роботи при температурі навколишнього середовища 20 ± 5 °С.
Германієві діоди виготовляються, як правило, шляхом вплавлення індію в германій і-типу. Вони можуть допускати" густину струму до 100 А/см2 при прямій напрузі до 0,8 В. Гранична зворотна напруга у них не перевищує 400 В, а зворотний струм звичайно буває не більш десятих часток міліампера для діодів малої потужності і одиниць міліампер для діодів середньої потужності. Робоча температура цих діодів від - 60 до + 75 °С. Якщо діоди працюють при температурі навколишнього середовища вище за 20 °С, то необхідно знижувати зворотну напругу. При зниженому атмосферному тиску або незадовільному охолоджуванні можливий перегрів діодів. Щоб не допускати його, потрібно знижувати випрямлений струм.
Потужні германієві діоди працюють з природним охолоджуванням. Вони виготовляються на випрямлений струм до 1000 А і зворотну напругу до 150 В.
Випрямляючі кремнієві діоди останнім часом набули особливо великого поширення. Вони виготовляються шляхом cплавлення алюмінію з кремнієм р - типу, а також сплаву олова з фосфором або золота з сурмою в кремній р-типу. Застосовується і дифузійний метод. У порівнянні з германієвими кремнієві діоди мають ряд переваг. Гранична густина прямого струму у них до 200 А/см2, а гранична зворотна напруга може бути до 1000 В. Робоча температура від - 60 до +125 °С (для деяких типів навіть до +150 °С). Пряма напруга у кремнієвих діодів доходить до 1,5 В, тобто трохи більше, ніж у германієвих діодів. Зворотний струм у кремнієвих діодів значно менше, ніж у германієвих.
Для випрямлення високих напруг випускаються кремнієві стовпи в прямокутних пластмасових корпусах, залитих ізолюючою смолою. Вони бувають розраховані на струм до сотень міліампер і зворотну напругу до декількох кіловольт. Для більш зручного складання різних схем випрямлення, наприклад мостових або подвоєння, служать кремнієві випрямляючі блоки. У них є декілька стовпів, від яких зроблені окремі виводи. Потужні кремнієві діоди випускаються на випрямлений струм від 10 до 500 А і зворотну напругу від 50 до 1000 В.
Випрямляючі точкові діоди.
Принцип їх побудови був вже розглянутий. Точкові діоди широко застосовуються на високих частотах, а деякі типи і на НВЧ (на частотах до декількох сотень мегагерц), і можуть також успішно працювати на низьких частотах. Ці діоди використовуються в самих різних схемах, тому їх іноді називають універсальними.
Високочастотні діоди
Високочастотні діоди можуть працювати в схемах перетворення сигналів до частот, які досягають декількох сотень мегагерц. В цій групі діодів використовується точковий перехід. Типова вольт-амперна характеристика наведена на рис.3.18. Пряма ділянка вольт-амперної характеристики описується квадратичною параболою Зворотна ділянка вольт-амперної характеристики відрізняється від характеристики площинного діода. Зворотний струм малий (оскільки мала площа переходу), а ділянка насичення вузька і неявно виражена. При зростанні зворотної напруги зворотний струм зростає лінійно за рахунок струмів генерації і витікання. Внаслідок малої площі переходу зменшується допустима потужність і ємність переходу. Вплив температури на зворотний струм менший, температура подвоєння складає (15 ÷ 20) оС. В області пробою є ділянка з від’ємним диференціальним опором. Основні електричні параметри високочастотних діодів:
МГц;
Германієві і кремнієві діоди випускаються з граничними зворотними напругами до 150 В і максимальним випрямленим струмом до 100 мА.
Імпульсні діоди. У попередньому розділі були розглянуті особливості імпульсного режиму діодів і параметри, що характеризують цей режим. Найважливішим параметром, що визначає можливість використання діода при коротких імпульсах, є час відновлення зворотного опору tвід.. Для його зменшення діоди виготовляють таким чином, щоб ємність переходу була малою і рекомбінація носіїв відбувалася якнайшвидше. Імпульсні діоди випускають на струми в імпульсі до декількох сотень міліампер і граничні зворотні напруги в декілька десятків вольт.
Рис.3.18. Вольт-амперна характеристика високочастотного діода
Для найбільш коротких імпульсів виготовляють одночасно у великій кількості так звані меза-діоди (від іспанського слова “меза”, що означає стіл). Спочатку на пластинці основного напівпровідника дифузійним методом створюється шар з іншим типом електропровідності. Потім ця пластинка покривається спеціальною маскою і зазнає травлення. Маска захищає від травлення багато невеликих ділянок. Саме в цих захищених областях залишаються n-р-переходи малого розміру, які підносяться над поверхнею пластинки у вигляді “столиків” (рис.3.19). Потім пластинка розрізається на окремі частини, кожна з яких є окремим діодом. Особливістю меза-діодів є зменшений об'єм базової області. За рахунок цього скорочується час нагромадження і розсмоктування носіїв в базі. Одночасне виготовлення великої кількості діодів з однієї пластинки забезпечує також порівняно незначний розкид їх характеристик і параметрів. Особливість полягає в зменшенні базової області та зменшення часу нагромадження і розсмоктування носіїв заряду в базовій області діода. Зарядна ємність такого переходу нижча, а напруга пробою вища ніж напруга пробою сплавного переходу. Меза-діоди мають високу швидкодію і малий час відновлення зворотного опору <10 нс.
Імпульсні діоди з мікросплавним переходом
Діоди з мікросплавним переходом займають проміжне положення між площинними і точковими. Переходи імпульсних діодів отримують шляхом вплавлення на малу глибину тонкого мм алюмінієвого провідника в монокристалічну пластинку кремнію n-типу. Такі діоди мають діаметр переходу в (3÷5) разів більший ніж точкові і мають відповідно більші допустимі струми і кращі зворотні характеристики. Вплавлення відбувається при нижчій ніж при виготовленні сплавних n-p переходів температурі. Для зменшення часу відновлення зворотного опору до рівня нс застосовується термогартування, що дозволяє в разів зменшити час життя незрівноважених носіїв заряду, а також легування напівпровідника золотом. Крім того при легуванні золотом в декілька разів зменшується зворотний струм.
Хороші імпульсні властивості ( нс, декілька пФ) мають імпульсні діоди, які отримують шляхом мікровплавлення в германієву пластину n-типу тонкого золотого провідника (діоди із золотою зв’язкою). Вплавлення здійснюється шляхом подання коротких імпульсів струму. При охолодженні утворюється рекресталізований шар германію р- типу і n-р перехід з властивостями сплавного переходу малої площі. Для зменшення опору рекристалізованого шару в золото додають галій.
Імпульсні планарно-епітаксіальні діоди
Планарно-епітаксіальна технологія полягає в дифузії домішок через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника. Структура планарно-епітаксіального імпульсного діода наведена на рис.3.20. Вихідним матеріалом є пластина кремнію n+-типу з дуже високою питомою електропровідністю, яку легують золотом. На одній з граней пластини нарощують тонкий шар кремнію того ж n-типу провідності тієї ж структури товщиною декілька мікрон, але з більшим питомим опором, , що дозволяє отримати більш високе значення зворотної напруги. Потім шар нанесеного кремнію окисляють і на поверхні отримують плівку окису SiO2 товщиною (0,5÷1,0) мкм. Після цього методом фотолітографії і травлення в окремих місцях окисної плівки отримують отвори діаметром (50÷200) мкм і переходять до високотемпературної дифузії де дифузантом є бор або алюміній. Атоми домішок проникають через отвори і утворюють шар кремнію р-типу і n-р-перехід. Такий дифузійний перехід, який формується шляхом дифузії через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника, називається планарним. До підкладу і до області р-типу під’єднують контакти, а окисну плівку покривають шаром низькотемпературного скла. Такі діоди мають велику ділянку прямої ділянки вольт-амперної характеристики з експоненціальною залежністю струму від напруги. Планарні імпульсні діоди мають такі електричні параметри:
Рис.3.20. Структура планарно- епітаксіального імпульсного діода
Діоди Шоткі
Це імпульсні діоди в яких використовується випрямляючі властивості на переході метал-напівпровідник. Якщо в місці контакту робота виходу електронів з напівпровідника менша від роботи виходу електронів в металі , то електрони з напівпровідника n-типу будуть переходити з напівпровідника в метал (Рис.3.21) і в приграничній області утвориться зона збіднена основними носіями заряду і тому вона буде мати великий електричний опір. Такий перехід має випрямляючі властивості.
В таких діодах відсутній процес інжекції при прямому ввімкненні і як наслідок відсутній процес нагромадження і розсмоктування зарядів. Інерційність діодів Шоткі зумовлена тільки впливом бар’єрної ємності. Основні електричні параметри діодів Шоткі:
ГГц. При малих струмах в широкому діапазоні струмів (10-12 ÷ 10-4 ) А в діодах Шоткі зберігається експоненціальна залежність між прямим струмом і прямою напругою. В якості металу застосовують: молібден, ніхром, золото і платину.
Рис.3.21. Діоди Шоткі: а) структура; б) позиційне позначення
Стабілітрони. Як було показано вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка може бути використана для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає змінам зворотного струму в широких межах. При цьому до настання пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він стає такого ж порядку, як і прямий струм. У цей час випускаються виключно кремнієві стабілітрони різних типів. Їх також називають опорними діодами, оскільки стабільне напруги в ряді випадків, що отримується від них використовується як еталонне. На рис.3.22 зображена типова вольт-амперна характеристика стабілітрона при зворотному струмі, з якої видно, що в режимі стабілізації напруги змінюється незначно. Характеристика для прямого струму стабілітрона така ж, як у звичайних діодів.
Кремнієві стабілітрони можуть бути виготовлені на малі напруги (одиниці вольт), а саме такі потрібні для живлення багатьох транзисторних пристроїв.
Розглянемо основні параметри кремнієвих стабілітронів. Напруги стабілізації Uст може бути приблизно від 5 до 200 В, зміна струму стабілітрона від Imin до Iмах складає десятки і навіть сотні міліампер. Максимальна допустима потужність Рдоп, що розсівається в стабілітроні, від сотень міліват до одиниць ват. Диференціальний опір Rд в режимі стабілізації може бути від десятих часток ома для низьковольтних потужних стабілітронів до 200 Ом для стабілітронів на більш високі напруги. Низьковольтні стабілітрони невеликої потужності мають опір Rд від одиниць до десятків ом. Чим менший Rд, тим краща стабілізація напруги. При ідеальній стабілізації було б Rд = 0. Оскільки Rд є опором для змінному струму, то його не треба плутати зі статичним опором, тобто опором постійному струму R0 . Опір R0 завжди у багато разів більше Rд. Вплив температури оцінюється температурним коефіцієнтом напруги стабілізації ТКН, який характеризує зміну напруги Uст при зміні температури на один градус,
ТКН =ΔUСТ / (UСТΔT).
Температурний коефіцієнт напруги може бути від 10-5 до 10-3 . Значення Uст і знак ТКН залежать від питомого опору основного напівпровідника. Стабілітрони на напругу до 7 В виготовляються з кремнію з малим питомим опором, тобто з великою концентрацією домішок. У цих стабілітронах n-р-перехід має малу товщину, в ньому діє поле з високою напруженістю і пробій відбувається головним чином за рахунок тунельний ефекту. При цьому ТКН виходить від’ємний.
Якщо же застосований кремній з меншою концентрацією домішок, то n-р-перехід буде більшої товщини. Його пробій виникає при більш високих напругах і має лавинний механізм. Для таких стабілітронів характерний додатний знак ТКН.
Найпростіша схема застосування стабілітрона показана на рис. 3.23. Навантаження ввімкнене паралельно стабілітрону. Тому в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже стала, така ж напруга буде і на навантаженні. Всі зміни напруги джерела Е при його нестабільності майже повністю поглинаються обмежувальним резистором Rобм.
Найчастіше стабілітрон працює в такому режимі, коли напруга джерела нестабільна, а опір навантаження RН сталий. Для встановлення і підтримки правильного режиму стабілізації в цьому випадку опір Roбм повинен мати певне значення. Звичайно Rобм розраховують для середньої точки (Т) характеристики стабілітрона. Якщо напруги Е змінюється від Emin до Емах, то можна Roбм знайти за наступним виразом
Roбм = (Еср- Ucт) / (Icp +Iн), (3.10)
де Еср = 0,5 (Emin + Emax) – середнє значення напруги джерела; Iср = 0,5 (Imin + Imах) середній струм стабілітрона; Iн = Ucт / Rн струм навантаження.
Якщо напруга Е буде змінюватися в ту або іншу сторону, то буде змінюватися струм стабілітрона, але напруга на ньому, а отже, і на навантаженні буде майже сталою.
Оскільки всі зміни напруги джерела повинні поглинатися обмежуючим резистором, то найбільша зміна цієї напруги, буде рівна Emax - Emin, повинна відповідати найбільшій можливій зміні струму, при якій ще зберігається стабілізація, тобто Imax - Imin. Звідси випливає, що якщо значення E змінюється на ΔЕ, то стабілізація буде здійснюватися тільки при дотриманні умови
ΔЕ < (Imax-Imin) Rобм. (3.11)
Стабілізація в більш широкому діапазоні зміни ΔЕ можлива при збільшенні Rобм. Але з формули (3.18) виходить, що більше значення Roбм отримуємо при меншому значені Iн, тобто при більшому Rн. Підвищення Еср також дає збільшення Ін і коли необхідно отримати стабільну напруги більш низьку, ніж ту, яку забезпечує стабілітрон. Тоді послідовно з навантаженням вмикають додатковий резистор, опір якого легко розрахувати згідно із законом Ома (рис.3.21).
Другий можливий режим стабілізації застосовується в тому випадку, коли Е = const, а Rн змінюється в межах від Rнmin до Rн.mах. Для такого режиму Ro,v можна визначити за середніми значеннями струмів за формулою
Rобм = (Е - Uст)/(Iср + Iн.ср), (3.12)
де Iн.ср = 0,5 (Ін.min + Iн.mах). Причому Ін.min =Uст / Rн max і Iн.тах = Uст / Rн.min.·
Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rобм сталий і спад напруги на ньому, складає Е - Ucт, буде сталим, то і струм в Rобм, рівний Iср + Iн.ср, також повинен бути сталим. Але це буде можливе тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона Iст і струм Iн змінюються на одне і теж значення, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Iн збільшується, то струм Iст на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.
Для отримання більш високих значень стабільних напруг застосовується послідовне з'єднання стабілітронів, розрахованих на однакові струми (рис.3.24). Внаслідок розкиду характеристик і параметрів у окремих зразків стабілітронів даного типу їх паралельне з'єднання з метою отримання великих значень струмів не рекомендується. Воно допускається тільки при умові, що сумарна потужність, що розсівається на всіх стабілітронах, не перевищує граничної потужності одного стабілітрона.
БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ
4.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
У числі напівпровідникових приладів, тобто приладів, що служить для перетворення електричних величин, важливе місце займають транзистори. Вони являють собою напівпровідникові прилади, придатні для підсилення потужності і мають три або більше виходи . У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n р - переходами, звані біполярний, оскільки їх робота основана на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. У цей час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.
Побудова площинного біполярний транзистора показана схематично на рис.4.1. Він являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу взятий транзистор типу n р n, що має середню область з дірковою, а дві крайні області з електронною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори з електропровідністю типу р n р, в яких діркову електропровідність мають дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.
Середня область транзистора називається базою, одна крайня область емітером, інша колектором. Таким чином, в транзисторі є два n-p-переходи: емітерний - між емітером і базою і колекторний між базою і колектором. Віддаль між ними повинна бути дуже малою, не більшою за одиниці мікрометрів, тобто область бази повинна бути дуже тонкою. Це є необхідною умовою роботи транзистора. Крім того, концентрація домішок в базі завжди значно менше, ніж в колекторі і емітері. Від бази, емітера і колектора зроблені виводи.
Для величин, що відносяться до бази, емітера і колектора, застосовують як індекси букви “б”, “е” і “к”. Струми в провідниках бази, емітера і колектора означають відповідно Іб, Іе, Ік. Напругу між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером Uб-е, між колектором і базою Uк-б. При умовному графічному позначенні транзисторів р n р і n р n провідності стрілка показує умовний (від плюса до мінуса) напрямок струму в провіднику емітера при прямій напрузі на емітерному переході.
В залежності від напруга на його переходах транзистор може працювати в трьох основних режимах. При роботі в активному режимі на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Режим відсічки, або закриття, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи. Якщо ж на обох переходах напруга пряма, то транзистор працює в режимі насичення. Активний режим є основним. Він використовується в більшості підсилювачів і генераторів. Тому ми детально розглянемо роботу транзистора в активному режимі. Режими відсічки і насичення характерні для імпульсної роботи транзистора і також будуть розглянуті окремо.
У схемах з транзисторами звичайно розглядають два кола. Вхідне, або керуюче, коло служить для керування роботою транзистора. У вихідному, або керованому, колі виходять підсилені коливання. Джерело коливань, які підсилюються вмикаються у вхідне коло, а у вихідне вмикається навантаження. Для величин, що відносяться до вхідного і вихідного ланцюга, застосовують відповідно індекси “вх” і “вих” або 1 і 2.
4.2. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ
Розглянемо, як працює біполярний транзистор, для прикладу з електропровідністю типу n р n, в режимі без навантаження, коли ввімкненні тільки джерела постійного живлення, напруги Е1 і Е2 (рис.4.2. а). Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Тому опір емітерного переходу малий і для отримання нормального струму в цьому переході досить напруги E1 в десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е2 звичайно складає одиниці або десятки вольт. З схеми на рис.4.2.а) видно, що напруга між електродами транзистора пов'язана простою залежністю
Uк-е = Uк-б + Uб-е.
При роботі транзистора в активному режимі звичайно завжди Uб-е<<Uк-б і, отже, Uк-е=Uк-б.
Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі (рис.3.2). А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода при зворотній напрузі.
Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (Uб-е), істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менше за зміну струму емітера. Таким чином, напруга Uб-е, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора основане саме на цьому явищі. Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-e, знижується потенціальний бар'єр на емітерному переході і відповідно зростає струм Iе через цей перехід. Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають через базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, які показані на малюнку кружками із знаками “ + ” і “ ”. Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, в сталому режимі число дірок в базі повинне бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то точно така ж кількість електронів повинно вийти з бази у вигляді струму Іб. Оскільки струм колектора виходить меншим струму емітера, то згідно з першим законом Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами в транзисторі:
Іе = Ік + Іб
Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був як можна менший. Звичайно Іб складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто І6 << Іе а отже, струм колектора лише трохи менший струму емітера і можна вважати . Саме для того, щоб струм Іб був як можна менший, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то значна частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.
Коли до емітерного переходу напруга не прикладене, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидві сторони від границі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області і дірок з n-області.
Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера виникає інжекція електронів, які для даної області є неосновними носіями. Не устигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу і тим менше стає його опір. Відповідно збільшується струм колектора. Інакше кажучи, із збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.
За прийнятою термінологією, емітером потрібно називати область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.
Потрібно зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід виготовляють зі значно більшою площею, ніж емітерний, оскільки потужність, що розсіюється на колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, яка розсіюється на емітерному переході. Тому якщо використати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншій потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.
Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:
Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже
09.06.2013 22:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора