Similar presentations:
Электроника: материалы электронной техники и их электрофизические свойства
1. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Квалификация - бакалавр4. ТРЕБОВАНИЯ К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ
Индекс
Наименование дисциплин и их основные разделы
ОПД.Ф.03.03
Электроника:
материалы
электронной
техники
и
их
электрофизические свойства; характеристики p-n
перехода; полупроводниковые диоды, биполярные и
полевые
транзисторы;
фотоэлектрические
и
излучательные приборы; характеристики, параметры и
модели полупроводниковых приборов; элементы
интегральных схем; базовые логические элементы на
основе
биполярных
и
полевых
транзисторов;
запоминающие
логические
элементы;
основы
функциональной электроники; приборы вакуумной
электроники: электронные лампы, электронно-лучевые
трубки, электронные и квантовые приборы СВЧ.
Всего
часов
144
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭЛЕКТРОНИКА
составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего
профессионального образования и рекомендуется Минобразования России
Электроника
1
2.
Объем дисциплины и виды учебной работыВид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные работы
Практические занятия (упражнения)
Самостоятельная работа
Итоговый контроль
Электроника
Всего часов
144
68
24
18
26
76
Экзамен
Семестры
4
4
4
4
4
4
4
3
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Лабораторный практикум№ раздела
№
дисциплип/п
ны
1
2
3
4
7
3
4
4
Наименование лабораторных работ
Исследование пассивных элементов интегральных схем
Исследование интегрального диода
Исследование интегрального транзистора в схеме с ОЭ
Исследование интегрального транзистора в схеме с ОБ
Электроника
7
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Требования к уровню освоения содержаниядисциплины и формы промежуточного и
итогового контроля
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- иметь представление
о тенденциях развития электроники, элементной и
технологической базы радиотехники и влиянии этого развития на выбор перспективных
технических
решений,
обеспечивающих
конкурентоспособность
разрабатываемой
аппаратуры;
- знать
основные
типы
нелинейных
компонентов
и
активных
приборов,
используемых в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), их характеристики, параметры,
модели, зависимости характеристик и параметров от условий эксплуатации, возможности и
особенности
реализации
различных
приборов, компонентов и их соединений
технологическими средствами микроэлектроники;
- уметь экспериментально определять основные характеристики и параметры наиболее
широко применяемых нелинейных компонентов и активных приборов.
Промежуточный контроль освоения содержания дисциплины осуществляется в
процессе практических занятий и выполнения лабораторных работ.
Итоговый контроль – экзамен.
Электроника
8
5. Тематический план дисциплины
Рекомендуемая литератураОсновная литература
1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат,1989. - 352 с.
2. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие для вузов.- СПб.: БХВПетербург, 2006. – 800 с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учебное пособие для вузов. – М.:
Высшая школа, 1991. - 622 с.
4. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники.
Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь,1991. – 288с.
5. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы интегральных
схем: методические указания к лабораторным / Рязан. гос. радиотехн. ун-т;
сост.: В.А.Степашкин, Н.М.Прибылова. Рязань: РГРТУ, 2011. 52 с. (№4536)
Электроника
9
6. Тематический план дисциплины
Рекомендуемая литератураДополнительная литература
6. Электронные приборы. Учебник для вузов / Под ред. Г.Г.Шишкина – М.:
Энергоатомиздат, 1989. – 496 с.
7. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.:
КОРОНА принт, 2004. – 416 с.
8. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника: Учеб. пособие для вузов.
М.: Высшая школа, 2005. – 288 с.
9. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. –
448 с.
10. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. М.:
Энергия, 1976. – 256 с.
Электроника
10
7. Лабораторный практикум
Электроника– область науки и техники, которая изучает физические
процессы, протекающие при движении заряженных
частиц в вакууме, газе, жидкости и твердом теле, а
также занимается вопросами теории производства и
применения приборов, основанных на этих процессах.
Электронные приборы – это устройства, через которые
протекает электрический ток и в которых возможно
управление током за счет изменения концентрации
подвижных носителей при движении между электродами.
Основные принципы действия электронных приборов:
1. Формирование потока заряженных частиц.
2. Управление потоком с помощью электрических и (или)
магнитных полей.
3. Отбор энергии от потока заряженных частиц в выходном
устройстве.
Электроника
11
8. Требования к уровню освоения содержания дисциплины и формы промежуточного и итогового контроля
Классификация электронных приборовПо применению (назначению):
Генераторные, усилительные, выпрямительные и др.
По мощности: малой, средней, высокой
По частоте (диапазону частот, длине волны)
НЧ
СЧ
ВЧ
СВЧ
Инфракрасное излучение
<0,4 мм
λ = ct = c/ƒ
По роду среды: электровакуумные, газоразрядные, жидкостные,
твердотельные
Электроника
15
9. Рекомендуемая литература
Основные требованияк электронным приборам
1. Главные параметры должны иметь определенные
номинальные значения (с заданными допусками).
2.Надежность
(безотказность,
долговечность,
ремонтопригодность).
3. Стойкость к различным воздействиям и стабильность
параметров (термостабильность, влагостойкость, стойкость к
повышенному
давлению
и
радиации,
ударостойкость,
вибростойкость и т.п.).
4. Требования к электрическим свойствам: должны работать в
нужном
диапазоне
частот
и
обладать
необходимым
быстродействием,
минимальной
потребляемой
энергией,
электрической прочностью.
5. Минимальные размеры и масса (микроминиатюризация),
технологичность, стоимость.
Электроника
16
10. Рекомендуемая литература
Надежность. Количественная оценкаn
Интенсивность отказов
N t
n – число однотипных элементов, отказавших в
течение промежутка времени t ,
N – число работоспособных элементов в начале
этого промежутка времени.
Электроника
17
11. Электроника
Надежность. Количественная оценкаЗадача:
состав РЭУ и параметры надежности компонентов
Интенсивность
отказов
λi x 10-6 1/час
Количество Ni
Микросхемы
0,1
20
Транзисторы
0,05
21
Диоды
0,04
6
Резисторы
0,5
30
Конденсаторы
0,03
25
Разъемы
3
5
Электроника
18
12. Электроника
Надежность. Количественная оценкаОбщая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
i 1
где aэ = 7,6 – поправочный коэффициент
с учетом условий эксплуатации
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
Вероятность безотказной работы РЭУ за время работы
t
t
P(t ) e
Определить: λ, tср, P(tср), график P(t)
Электроника
19
13. Электроника
Надежность. Количественная оценкаОбщая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Электроника
20
14. Классификация электронных приборов
Надежность. Количественная оценкаОбщая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
3.865 *10
3
часов
Электроника
21
15. Классификация электронных приборов
Надежность. Количественная оценкаОбщая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
3.865 *10
3
часов
Вероятность безотказной работы РЭУ за время работы
P(tср ) e
tср
tср
0.368
Электроника
22
16. Основные требования к электронным приборам
Надежность. Количественная оценкаВероятность безотказной работы РЭУ за время работы
t
1
0.8
0.6
P (t)
0.4
0.2
0
0
0
2 10
3
4 10
3
6 10
3
3
8 10
4
1 10
t
час
Электроника
4
4
4
1.2 10 1.4 10 1.6 10 1.8 10
4
2 10
4
20000
23
17. Надежность. Количественная оценка
Термостабильность. Количественная оценкаХарактеризуется температурным коэффициентом параметра.
Например, для резисторов
R
ТКС
R t
Задача:
ТКС = 5.10-4 1/К.
R = 10 кОм.
Определить изменение сопротивления резистора
при изменении температуры на 20 градусов.
Электроника
24
18. Надежность. Количественная оценка
Термостабильность. Количественная оценкаR ТКС R t
ΔR =
Электроника
25
19. Надежность. Количественная оценка
Термостабильность. Количественная оценкаR ТКС R t
ΔR = 100 Ом.
Электроника
26
20. Надежность. Количественная оценка
Основные положения теорииэлектропроводности твёрдых тел
(зонная теория)
Электроны вращаются вокруг ядра по
орбитам, сгруппированным в слои.
Каждому слою соответствует строго
определенная энергия электрона W –
разрешенный энергетический уровень.
Распределение электронов по уровням
энергии изображают схематически (рис.1.1).
Электроника
27
21. Надежность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Электроника
28
22. Надежность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Энергетические уровни объединяются в
зону.
Совокупность
энергетических
уровней,
соответствующих
внешнему
слою
электронов, образует валентную зону (рис1.2).
Разрешенные уровни энергии, которые
остаются незанятыми, составляют зону
проводимости (уровни этой зоны могут
занимать
возбужденные
электроны,
обеспечивающие
электропроводность
вещества).
Электроника
29
23. Надежность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Между валентной зоной и зоной проводимости
может быть запрещенная зона.
Электроника
30
24. Термостабильность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Зонная структура лежит в основе разделения
веществ на проводники (металлы),
полупроводники и диэлектрики (изоляторы).
Электроника
31
25. Термостабильность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Проводники: валентная зона и зона
проводимости перекрывают друг друга.
Электропроводны.
Полупроводники и диэлектрики: зона
проводимости пуста. Электропроводность
отсутствует.
Диэлектрики: ΔW
> 6 эВ
Полупроводники: 0,1 эВ < ΔW < 3 эВ.
Ge: ΔW =0,72 эВ, Si: ΔW =1,12 эВ, GaAs: ΔW =1,43 эВ.
Электроника
32
26. Термостабильность. Количественная оценка
Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)Полупроводники: между атомами молекулы
ковалентные связи, образующиеся за счет
обобществления валентных электронов соседних
атомов.
Электроника
33
27. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Подвоздействием
внешних
факторов
(например,
при
повышении
температуры)
отдельные электроны атомов кристаллической
решетки приобретают энергию, достаточную для
освобождения
от
ковалентных
связей,
и
становятся свободными.
При освобождении электрона от ковалентной
связи в кристаллической решетке возникает как бы
свободное место, обладающее положительным
зарядом. Такое место называется «дыркой», а
процесс образования пары «свободный электрон
— дырка» — генерацией.
Электроника
34
28. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
В дырку может «перескочить» валентный электрониз ковалентной связи соседнего атома. В результате
ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот
процесс называется рекомбинацией), а в соседнем
разрушится, образуя новую дырку.
Такое
перемещение
дырки
по
кристаллу
равносильно перемещению положительного заряда.
При отсутствии внешнего электрического поля
дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к
кристаллу разность потенциалов, то под действием
созданного электрического поля движение дырок и
электронов становится упорядоченным и в кристалле
возникает электрический ток.
Электроника
35
29. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Таким образом, проводимость полупроводникаобусловлена
перемещением
как
отрицательно
заряженных
электронов,
так
и
положительно
заряженных дырок. Соответственно различают два
типа
проводимости
—
электронную,
или
проводимость
n-типа,
и
дырочную,
или
проводимость р-типа.
У абсолютно чистого и однородного полупроводника
при температуре, отличной от 0 К, свободные
электроны и дырки образуются попарно, т. е. число
электронов равно числу дырок. Электропроводность
такого полупроводника, обусловленная парными
носителями теплового происхождения, называется
собственной.
Электроника
36
30. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Если в полупроводнике создать электрическоеполе напряженностью Е, то хаотическое движение
носителей заряда упорядочится, т. е. дырки и
электроны
начнут
двигаться
во
взаимно
противоположных направлениях, причем дырки — в
направлении,
совпадающем
с
направлением
электрического поля. Возникнут два встречно
направленных потока носителей заряда, создающих
токи, плотности которых равны
Jn др = q n μn E ,
Jp др = q p μp E
(1-1)
где q — заряд носителя заряда (электрона); n, p —
число электронов и дырок в единице объема
вещества; μn , μp — подвижность носителей заряда.
Электроника
37
31. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Так как носители заряда противоположного знакадвижутся в противоположном направлении, то
результирующая плотность тока в полупроводнике
Jдр = Jn др + Jp др = (qnμn + qpμp)E
(1.3)
Движение носителей заряда в
полупроводнике, вызванное наличием электрического
поля и градиента потенциала, называют дрейфом, а
созданный этими зарядами ток — дрейфовым
(или ток проводимости).
Электроника
39
32. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Удельная проводимость полупроводника:σ = J др / E = q(nμn + pμp )
(1.4)
Таким образом, удельная проводимость зависит от
концентрации носителей и от их подвижности.
Всегда μp
< μn
и, следовательно, σр
Электроника
< σn.
41
33. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
В полупроводниках может быть ещедиффузионный
ток,
причиной
возникновения
которого является разность концентраций носителей
(т.е. градиент концентрации).
Так
как
носители
имеют
собственную
кинетическую энергию, то они всегда переходят из
мест с более высокой концентрацией в места с
меньшей
концентрацией,
т.
е.
стремятся
к
выравниванию концентрации.
Диффузионный ток, так же как ток проводимости, может быть
электронным или дырочным.
Электроника
42
34. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Если носители заряда распределены равномерно пополупроводнику, то их концентрация является
равновесной.
Под влиянием каких-либо внешних воздействий в
разных частях полупроводника концентрация может
стать неодинаковой, неравновесной.
Например,
если
часть
полупроводника
подвергнуть действию излучения, то в ней усилится
генерация
пар
носителей
и
возникнет
дополнительная
концентрация
носителей,
называемая избыточной.
Диффузионный ток также возникает в месте контакта двух полупроводников с различным типом проводимости.
Электроника
44
35. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Для создания полупроводниковых элементовшироко применяют примесные полупроводники.
С четырехвалентными германием и кремнием
используют
пятивалентные
примеси
(мышьяк,
сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор,
алюминий, индий, галлий).
Электроника
45
36. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
В случае пятивалентной примесиЭлектроника
46
37. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
В таких полупроводниках электропроводностьобеспечивается главным образом избытком свободных
электронов.
Их называют полупроводниками n-типа, а
примеси — донорными.
За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа
могут образовываться и отдельные дырки при
генерации пар «свободный электрон — дырка».
Электроны в полупроводнике n-типа называют
основными, а дырки — неосновными носителями
зарядов.
Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.5,б).
Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда,
когда он получает небольшую дополнительную энергию.
Электроника
47
38. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
При введении трехвалентной примесиЭлектроника
48
39. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Дырки в таких полупроводниках становятся основныминосителями зарядов, создавая эффект перемещения
положительных зарядов. Трехвалентные примеси
называют акцепторными, а полупроводники с такой
примесью — полупроводниками p-типа.
Неосновными носителями в этом случае выступает
небольшое
количество
свободных
электронов,
образовавшихся в результате тепловой генерации пар
«свободный электрон — дырка».
Валентные уровни акцепторной примеси расположены в нижней части
запрещенной зоны, поэтому при небольшой дополнительной энергии (0,01—
0,05 эВ) электроны из валентной зоны могут переходить на этот уровень,
образуя дырки.
Электроника
49
40. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Уровень Ферми, температурный потенциалУровень Ферми — это такой энергетический уровень,
вероятность
заполнения
которого
подвижными
зарядами равна 1/2 (при любой температуре тела).
В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затрачиваемую
на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде,
имеющей градиент электрического потенциала и какое-то количество этих
частиц. Поэтому для полупроводников это энергия, значение которой зависит
от концентрации носителей заряда в данном теле. Зная уровень Ферми, можно
вычислить концентрации носителей заряда, и наоборот.
Электроника
50
41. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
При увеличении температуры вероятность нахожденияподвижных носителей в зоне проводимости F > 0, и
уровень Ферми поднимается вверх.
Электроника
52
42. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫЭлектрический переход – это граничный слой между двумя
областями, физические характеристики которых существенно
отличаются.
• Переходы между двумя областями полупроводника с различным
типом электропроводности называют электронно-дырочными
или p-n-переходами.
• Переходы между двумя областями с одним типом
электропроводности, отличающиеся концентрацией примесей (и
следовательно
удельной
проводимостью),
называют
электронно-электронными (n+-n-переход) или
дырочнодырочными (p+-p-переход),
• Переходы между двумя полупроводниковыми материалами,
имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют
гетеропереходами.
Если одна из областей, образующих переход, является металлом,
то такой переход называют переходом металл —
полупроводник.
Электроника
55
43. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫЧаще всего используется переход между двумя областями
полупроводника, имеющими различный тип электропроводности.
При соединении полупроводников p и n типа уровень Ферми становится
общим.
Электроника
56
44. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫЭлектронно-дырочный переход, у которого pp ≈ nn, называется
симметричным.
Если концентрации основных носителей заряда в областях различны
(nn >> pp или pp >> nn), то такие р-n-переходы называют
несимметричными.
В
зависимости
от
характера
распределения
примесей,
обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях,
различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный.
В резком переходе концентрации примесей на границе раздела
областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной
длиной; в плавном — на расстоянии, значительно большем
диффузионной длины.
Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном pn-переходе трудно получить те вентильные свойства, которые
необходимы для работы диодов и транзисторов.
Электроника
58
45. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Здесь происходит диффузия
носителей заряда из одного
п/п в другой: из п/п n-типа в п/п
p-типа
диффундируют
электроны, а в обратном
направлении из п/п p-типа в
п/п
n-типа
диффундируют
дырки.
В результате по обе стороны
границы раздела создаются
объемные заряды различных
знаков. В области n возникает
положительный
объемный
заряд, а в области p возникает
отрицательный
объемный
заряд.
Электроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.31-33
59
46. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯМежду образовавшимися объемными зарядами
возникают контактная разность потенциалов
uК = φn — φp
и электрическое поле (вектор
напряженности ЕК).
Электроника
61
47. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯНапример, для германия
концентрации примесей
uК = 0,3 - 0,4 В
и
при
средней
d = 10-4 - 10-5 см.
Электроника
62
48. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯПеремещение носителей за счет диффузии — это
диффузионный ток (iДИФ),
а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (iДР).
В установившемся режиме (динамическом равновесии
перехода)
iДИФ = iДР.
Поэтому полный ток через переход равен нулю
iДИФ + iДР = 0.
Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие.
Электроника
64
49. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИЭлектроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.33-35
67
50. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИНапряжение на переходе равно uК — uПР.
При прямом напряжении iДИФ > iДР и поэтому
полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не
равен нулю:
iПР = iДИФ — iДР > 0. (3.1)
Если барьер значительно понижен, то
iДИФ >> iДР
и можно считать, что
iПР ≈ iДИФ,
т.е. прямой ток в переходе является чисто
диффузионным.
Электроника
69
51. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИВведение носителей заряда через
пониженный под действием прямого
напряжения потенциальный барьер в
область, где эти носители являются
неосновными, называется инжекцией
носителей заряда.
Область п/п прибора, из которой
инжектируются
носители,
называется
эмиттерной
областью
или
эмиттером. А область, в которую
инжектируются неосновные для этой
области носители заряда, называется
базовой областью или базой.
Электроника
70
52. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИПри
прямом
напряжении
также
уменьшается толщина запирающего слоя
(dПР < d) и его сопротивление в прямом
направлении становится малым (единицы
— десятки Ом).
Т.к. иК = десятые доли В, то для значительного понижения барьера и
существенного уменьшения r запирающего слоя достаточно подвести к
переходу ипр = десятые доли В. Поэтому большой прямой ток можно
получить при очень небольшом прямом напряжении.
Электроника
73
53. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИПоле ЕОБР складывается с
полем ЕК. Результирующее поле
усиливается,
и
высота
потенциального барьера теперь
равна uК + uОБР.
Уже при небольшом повышении
барьера
диффузионное
перемещение основных носителей
через переход прекращается, т. е.
iДИФ = 0, ток проводимости iДР
остается почти неизменным.
Выведение
неосновных
носителей
через
р-n
переход
ускоряющим
электрическим
полем,
созданным
обратным
напряжением, называют
экстракцией носителей
заряда.
Электроника
Жеребцов. Основы 74
электроники. с.35-36
54. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИТаким образом, обратный ток iОБР представляет собой ток
проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей
(iОБР = iДР), так как таких носителей мало, то iОБР очень небольшой.
C увеличением обратного напряжения увеличивается не
только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего
слоя (dОБР > d). Этот слой обедняется носителями, и его
сопротивление значительное, т. е. RОБР >> RПР.
Электроника
75
55. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Дано
Концентрации:
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (кремний) ni = 1,4 .1010 1/см3 .
Подвижность носителей:
электронов µn = 1350 см2/В.с, дырок µp = 500 см2/В.с.
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,5 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
76
56. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЭлектроника
77
57. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Дополнительные справочные данные:
ε0 = 8,854*10-14 Ф/см, ε = 12 (для кремния).
Заряд электрона q = 1,6*10-19 Кл.
Постоянная Больцмана k = 1.38*10-23 Дж/град .
Электроника
78
58. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Решение:
1. σ = J др / E = q(nμn + pμp )
а) σn = q(nn μn + pn μp )
т.к. nn >> pn , то
б)
σn ≈ q nn μn
σp = q(np μn + pp μp )
т.к. pp >> np , то σp ≈ q pp μp
в) σгр = q(nгр μn + pгр μp )
Электроника
79
59. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
Электроника
80
60. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
б)
σp = 0,8 Сим/cм
Электроника
81
61. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
б)
σp = 0,8 Сим/cм
в)
σгр = 0,022 Сим/cм
Электроника
82
62. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Решение:
2.
nn p p
uК T ln
2
ni
где
kT
T
q
Электроника
83
63. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 0,817 В
Электроника
84
64. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 0,817 В
φ = 0.817 В
Электроника
85
65. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Решение:
3а.
1
2 0
1
d dn d p
uK
n
q
p
p
n
Электроника
86
66. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответ по п.3а:
d = 3.31 * 10 -5 см
Электроника
87
67. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Решение: 3б.
Поскольку внутри p-n перехода общий отрицательный заряд
ионизированных акцепторов равен общему положительному
заряду ионизированных доноров, то
nn. dn.S = pp.dp. S , где S – площадь поперечного
сечения p-n перехода, dn и dp – ширина перехода со стороны n- и
p- областей, отсчитываемая от металлургической границы.
Отсюда
С учетом того, что
dn p p
d p nn
d = dn + dp
dn = d – dp
Электроника
dp
d
pp
1
nn
88
68. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 3.277 * 10 -5 см
Электроника
89
69. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 3.277 * 10 -5 см
dn = 3.277 * 10 -7 см
Электроника
90
70. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Решение:
3в.
1
2 0
1
d
uK U
n
q
p
p
n
Высота потенциального барьера
uK U
Электроника
91
71. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
Электроника
92
72. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
Электроника
93
73. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
Электроника
94
74. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
φобр = 5.817 В
Электроника
95
75. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДЗадача 1.1
Сравните:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
φобр = 5.817 В
d = 3.31 * 10 -5 см
φ = 0.817 В
Электроника
96
76. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
4. Напряженность электрического поля в p-n переходе
максимальна на металлургической границе и равна
Emax
2 uK
d
Электроника
97
77. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.4:
Emax = 4.935 * 10 4 В/см
Электроника
98
78. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ДаноКонцентрации:
Задача 1.2
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (германий) ni = 2,33 .1013 1/см3 .
Подвижность носителей (германий):
электронов µn = 3800 см2/В.с, дырок µp = 1800 см2/В.с.
ε = 16 (для германия).
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,3 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
99
79. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
1. а)
σn ≈ q nn μn
б)
σp ≈ q pp μp
в)
σгр = q(nгр μn + pгр μp )
Электроника
100
80. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
Электроника
101
81. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
б)
σp = 2,88 Сим/cм
Электроника
102
82. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
б)
σp = 2,88 Сим/cм
в)
σгр = 0,061 Сим/cм
Электроника
103
83. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
2.
nn p p
uК T ln
2
ni
где
kT
T
q
Электроника
104
84. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.2:
uк = 0,433 В
Электроника
105
85. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
3а.
1
2 0
1
d dn d p
uK
n
q
p
p
n
Электроника
106
86. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.3а:
d = 2,782 * 10 -5 см
Электроника
107
87. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение: 3б.
dp
d
pp
1
nn
dn = d – dp
Электроника
108
88. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3б:
dp = 2, 755 * 10 -5 см
Электроника
109
89. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3б:
dp = 2, 755 * 10 -5 см
dn = 2,755 * 10 -7 см
Электроника
110
90. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
3в.
1
2 0
1
d
uK U
n
q
p
p
n
Высота потенциального барьера
uK U
Электроника
111
91. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
Электроника
112
92. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
Электроника
113
93. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
φпр = 0.133 В
Электроника
114
94. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
φпр = 0.133 В
φобр = 5.433 В
Электроника
115
95. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Решение:
4.
2 uK
Emax
d
Электроника
116
96. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.4:
Emax = 3,111 * 10 4 В/см
Электроника
117
97. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ДаноКонцентрации:
Задача 1.3
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (GaAs) ni = 1,1 .107 1/см3 .
Подвижность носителей (GaAs):
электронов µn = 8500 см2/В.с, дырок µp = 400 см2/В.с.
ε = 10,9 (для арсенида галлия).
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,5 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
118
98. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.1:
а)
σn = 1360 Сим/cм
б)
σp = 0,64 Сим/cм
в)
σгр = 0,136 Сим/cм
Электроника
119
99. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.2:
uк = 1,187 В
Электроника
120
100. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.3а:
d = 3,802 * 10 -5 см
Электроника
121
101. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3б:
dp = 3, 765 * 10 -5 см
dn = 3,765 * 10 -7 см
Электроника
122
102. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответы по п.3в:
dпр = 2.892 * 10 -5 см
dобр = 8.682 * 10 -5 см
φпр = 0.687 В
φобр = 6.187 В
Электроника
123
103. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1Ответ по п.4:
Emax = 6,242 * 10 4 В/см
Электроника
124
104. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИКЭлектроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.37
127
105. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИКЭлектроника
129
106. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАp-n ПЕРЕХОДА
В равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий
две составляющие:
IДИФ+ IДР = 0,
IДИФ= IДР= IТ.
При приложении к p-n-переходу прямого напряжения равновесие
IДИФ за счет снижения потенциального барьера
увеличивается в eU/φ раз и является функцией приложенного
нарушается.
T
напряжения:
IДИФ = IТ eUпр/φ ,
T
где IТ — ток, протекающий в одном направлении через р-n переход,
находящийся в равновесном состоянии,
φT = kT/q – тепловой потенциал.
IДР= IТ - остается практически неизменным.
Электроника
131
107. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДАРезультирующий ток, протекающий через p-n переход:
I пр I диф IТ IТ e
U пр / T
1
Уравнение Эберса-Молла
IТ
называется тепловым или обратным током насыщения. Для п/п с
определенными концентрациями примесей этот ток зависит только от
температуры и не зависит от приложенного напряжения.
При обратном смещении результирующий ток перехода:
Выводы. Идеализированный p-n-переход имеет вентильные
свойства.
Электроника
132
108. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА1
rдиф
При
увеличении
t0 растут и
прямой и
обратный
ток
rдиф
I I I T
U
T
T
I IT
nn p p
uК T ln
2
ni
Nа Nд
uК T ln
2
ni
Электроника
133
109. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДАОбратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода.
Под пробоем
p-n-перехода понимают значительное
уменьшение
обратного
сопротивления,
сопровождающееся
возрастанием обратного тока при увеличении приложенного
напряжения.
Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и
тепловой. Первые два иногда называют электрическим пробоем.
Электроника
135
110. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДАВ основе туннельного пробоя
лежит туннельный эффект, т. е.
«просачивание» электронов сквозь
потенциальный
барьер,
высота
которого больше, чем энергия
носителей заряда.
Туннельный пробой чаще всего
возникает при узком переходе и
малом удельном сопротивлении.
Начало пробоя оценивается по
десятикратному
превышению
туннельного тока над обратным.
При увеличении температуры
напряжение, при котором возникает
туннельный пробой, уменьшается.
Электроника
136
111. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДАЭлектроника
138
112. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДАЕмкостные свойства перехода обусловлены наличием по обе
стороны от его границы электрических зарядов, которые созданы
ионами примесей, а также подвижными носителями заряда,
находящимися вблизи границы p-n-перехода.
В общем случае емкость определяется как приращение заряда
на переходе к приращению падения напряжения на нем, т.е.
C=
dQ/du.
Емкость p-n-перехода подразделяют на две составляющие:
барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p-nпереходе, и диффузионную, отражающую перераспределение
зарядов вблизи p-n-перехода.
Величину С6ар для резкого перехода можно определить из
приближенного выражения
Сбар
0 S
d0
uK
uK U
где S, d0—площадь и толщина p-n-перехода при U = 0.
Электроника
139
113. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДАЭлектроника
140
114. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДАПри подключении к p-n-переходу прямого напряжения емкость
p-n-перехода определяется в основном
диффузионной
составляющей емкости, которая зависит от значения прямого тока
I и времени жизни неосновных носителей τP :
Сдиф I пр р / Т
При обратном смещении перехода диффузионная емкость
отсутствует.
Электроника
141
115. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫИЗГОТОВЛЕНИЯ p-n-ПЕРЕХОДА
Миловзоров О. В., Панков И.Г. Электроника —
М.: Высш. шк., 2004., с.12-13.
Метод сплавления.
Метод диффузии.
Метод эпитаксиального наращивания.
Ионное легирование.
Оксидное маскирование.
Фотолитография.
Электроника
142
116. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫПолупроводниковым
диодом
называют полупроводниковый прибор
с двумя выводами (приставка «ди-»
означает два) и одним электрическим
переходом.
Электроника
143
117. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫЭлектроника
144
118. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ• Идеализированная
вольтамперная
характеристика
диода
описывается уравнением Эберса-Молла. Но вольтамперная
характеристика диода и p-n-перехода примерно совпадают только
в области малых токов.
• В реальных диодах обратная ветвь вольтамперной характеристики
отличается от идеализированной. Это обусловлено тем, что
тепловой ток IТ при обратном включении составляет лишь часть
обратного тока диода.
У германиевых диодов Iобр ≈ IТ, у кремниевых Iобр >> IТ
(Iобр≈103IТ).
Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько
порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.
Для инженерных расчетов Iобр в зависимости от температуры окружающей
среды можно пользоваться упрощенным выражением
Iобр (T) ≈ Iобр (T0)2∆T/T*,
где Т* — приращение температуры, при котором обратный ток Iобр(T)
удваивается (Т* ≈ 8÷10 °С для германия и Т* ≈ 6÷7 °С для кремния).
Электроника
145
119. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫПрямая ветвь вольтамперной характеристики диода
отклоняется от идеализированной из-за:
• наличия токов рекомбинации в p-n-переходе,
• падения напряжения на базе диода,
• изменения сопротивления базы при инжекции в нее
неосновных носителей заряда,
• наличия в базе внутреннего поля, возникающего при
большом коэффициенте инжекции.
С учетом падения напряжения на базе диода запишем
уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики
диода:
I IT e
U I rБ / T
1
где rБ—омическое сопротивление базы диода.
Электроника
146
120. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫПадение напряжения на диоде:
U = [φT ℓn(I / IТ + 1)] + IrБ.
Для малых токов I
U ≈ φT ℓn(I / IТ + 1).
Падение напряжения на диоде U зависит от тока
I, протекающего через него, и имеет большее значение у
диодов с малым IТ.
Электроника
147
121. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫТак как IТ Si мал, то и
начальный участок прямой
ветви значительно более
пологий, чем у Ge диодов.
Сравним ВАХ диодов из
кремния и германия:
• Прямая ветвь:
при Uпр = const IGE > ISI ,
при
Iпр=const UGE < USi.
Потери в кремниевом диоде
больше.
• Обратная ветвь:
Iобр GE>Iобр SI ,
Uпроб SI > Uпроб GE .
Преимущество у кремниевого
диода.
Электроника
148
122. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ• При увеличении температуры прямая ветвь характеристики
становится более крутой из-за увеличения IТ и уменьшения
сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же
значению прямого тока, при этом уменьшается.
• С ростом температуры увеличивается и обратный ток (рис.5.3).
• Германиевые диоды допускают разогрев p-n-перехода не более,
чем до 70 0С, кремниевые – до 120-150 0С, арсенид-галлиевые – до
150 0С.
Электроника
149
123. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫЭквивалентная схема диода
R0
а)
Rнл
Lв
Cб
Cдиф
б)
в)
г)
R0
Cв
Rпр
Rобр
R0
Rпр
Cдиф
д)
Rобр
Cб
R0 – суммарное (сравнительно
небольшое) сопротивление n- и
р-областей и контактов этих
областей с выводами.
Rнл – нелинейное сопротивление
(при прямом напряжении равно
Rпр, т. е. невелико, а при
обратном напряжении Rнл =
Rобр, т. е. оно очень большое.
Электроника
150
124. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВыпрямительные диоды
Предназначены для преобразования (выпрямления)
переменного тока в постоянный.
К их быстродействию, емкости p-n-перехода и
стабильности параметров высоких требований не
предъявляют.
Их выполняют на сплавных и диффузионных
несимметричных p-n-переходах.
Характеризуются малым сопротивлением в прямом
направлении и позволяют пропускать большие токи (до
десятков и сотен ампер) при допустимых обратных
напряжениях до 1000 В.
Для этого площадь p-n-перехода выполняется относительно
большой и, следовательно, емкость p-n-перехода достаточно велика
(десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах
(длительность перехода из открытого состояния в запертое и
наоборот при перемене полярности приложенного напряжения)
протекают относительно долго.
Электроника
151
125. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫОсновные параметры выпрямительных диодов:
• Uобр доп – напряжение, которое диод может выдержать в течение
длительного времени без нарушения работоспособности;
• Iпр ср – наибольшее допустимое значение постоянного тока,
протекающего длительно в прямом направлении;
• Iпр имп – максимально допустимый импульсный прямой ток при
указанной в паспорте наибольшей длительности импульса;
• Iобр ср – среднее за период значение обратного тока;
• Uпр ср – среднее прямое падение напряжения на открытом диоде;
• Pср рас – средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде
при выпрямлении переменного тока;
• дифференциальное сопротивление
rдиф = ∆Uпр ср /∆Iпр ср .
Электроника
152
126. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
Электроника
154
127. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
Электроника
155
128. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
Электроника
156
129. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
Резистор R0 ограничивает ток Iст во избежание теплового пробоя.
т.А : Uст при среднем значении Uвх, а
т. В и С — изменения ∆Uст при изменениях ∆Uвх.
Дифференциальное сопротивление на участке BС равно
rдиф = ∆Uст/∆Iст
(5.5)
По 2-ому закону Кирхгофа
Uвх = Uст + Iст R0.
∆Uвх = ∆Uст + ∆Iст R0.
а подставив ∆Iст из (5.5) получим
При
R0>> rдиф
U СТ
U ВХ
R0
1
rдиф
∆Uст <<∆Uвх
Электроника
157
130. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
При наличии нагрузки RН
I СТ
U ВХ U СТ
I R0 I Н
IН
R0
Условие стабилизации
IСТ min ≤ IСТ ≤ IСТ max
Электроника
158
131. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫОсновные параметры стабилитронов:
• Uст – напряжение стабилизации (ед-десятки-сотни В);
• Iст min – при котором наступает устойчивый пробой перехода
(доли-десятки мА);
• Iст max – при котором рассеиваемая мощность не превышает
допустимой (неск.мА-неск.А);
• rдиф – доли Ом-сотни Ом;
• P рас max – при которой ещё не наступает тепловой пробой
(десятки мВт-ед.Вт);
• αст = ∆Uст /(Uст∆T)
– температурный коэффициент напряжения
стабилизации.
• Для снижения αст последовательно со стабилитроном включают
дополнительный диод (в прямом смещении) (рис.г) – это (помещенное
в одном корпусе) прецизионный стабилитрон.
Электроника
159
132. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫСтабилитроны
Электроника
160
133. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВыпускаются также двуханодные стабилитроны
(например, 2С170А, 2С182А и др.), которые обеспечивают
стабилизацию и ограничение двухполярного напряжения.
Для стабилизации напряжения применяются также
стабисторы (например, типа КС107, 2С113А, 2С119А).
В них используется специальная форма прямой ветви
ВАХ. Поэтому стабисторы работают при прямом
напряжении и позволяют стабилизировать малые
напряжения (0,35—1,9 В). По основным параметрам они
близки к стабилитронам.
Особенность стабисторов – отрицательный αст, т.е.
Uст с повышением температуры уменьшается.
Электроника
161
134. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫИмпульсные диоды
Электроника
162
135. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫдиоды Шоттки
Условное обозначение диода Шоттки
Электроника
165
136. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫОсновной отличительной
особенностью ВАХ диодов
Шоттки является
значительно меньшее
прямое падение
напряжения, по сравнению
с диодами на основе p-nпереходов.
Электроника
167
137. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫОсновные параметры импульсных
диодов
• Сд – емкость диода (доли пФ – несколько пФ).
• Unp и max – максимальное импульсное прямое
напряжение.
• Iпр и mах – максимально допустимый
импульсный ток.
• tycт – время установления прямого напряжения
диода (доли нс – доли мкс).
• tвос – время восстановления обратного
сопротивления диода (доли нс – доли мкс).
Электроника
170
138. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВарикапы
Электроника
171
139. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВарикапы
uК
Cв (U ) Cв (0)
u
U
К
Cв ( 0 )
1
n
где
0 S
d0
— емкость при нулевом напряжении на диоде;
n=2
для резких переходов и
переходов.
Электроника
п=3
для плавных
173
140. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВарикапы
Электроника
174
141. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫВарикапы
Условное обозначение варикапа (а);
Включение варикапа в состав резонансного контура (б).
Электроника
175
142. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ p-n-ПЕРЕХОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫОсновные параметры варикапов:
• Св – общая емкость при заданном Uобр (десятки-сотни
пФ);
• Kc = Cв max / Cв min
– коэффициент перекрытия по
емкости (неск. ед.- неск. десятков);
• rп – суммарное активное сопротивление потерь;
• Qв = Xc / rп – добротность при заданном значении Св
или Uобр (десятки-сотни) ;
• fпред – предельная частота, при которой Qв = 1;
• αСв = ∆С /(С∆T)
– температурный коэффициент
емкости (ТКЕ).
Электроника
177
143. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
СВЕТОДИОДЫЭлектроника
178
144. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
СВЕТОДИОДЫДлина волны излучения
1 ,23 W2 W1 1 ,23 W ,
т.е. зависит от ширины запрещенной зоны
(здесь W 1 – исходный энергетический
уровень,
W2 – метастабильный уровень
возбуждения)
Электроника
180
145. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
СВЕТОДИОДЫЭлектроника
182
146. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Инжекционный лазерЭлектроника
184
147. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫЭлектроника
187
148. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫВ общем случае ток фотодиода определяется формулой
U / T
I IТ (e
1) IФ
где
IФ = SiФ — дрейфовый ток фотоносителей – фототок,
Si — интегральная чувствительность,
Ф — световой поток.
Электроника
188
149. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫЭлектроника
189
150. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫБез нагрузки фотодиод может работать в двух
режимах: 1) к.з. (U = 0) и 2) х.х. (I = 0) .
• В режиме к.з.
• В режиме х.х. :
I = –IФ = –SiФ
Uxx = φT ln(IФ/IТ + 1).
Таким образом, между электродами фотодиода
при освещении появляется разность потенциалов,
называемая фото-эдс, равная напряжению Uхх
< uк. (Для кремниевых фотодиодов Uхх <0,7В).
Электроника
190
151. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫНа ВАХ можно выделить два участка:
1-й: I < 0, U ≤ 0 – соответствует режиму
фотопреобразования; используется в фотоприемниках.
2-й: 0 < U < UХХ, I ≤ 0 – соответствует режиму
фотогенерации: здесь прибор при его освещении
вырабатывает энергию; в таком режиме работают
солнечные батареи.
Электроника
191
152. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФОТОДИОДЫОсновные параметры
• диапазон длин волн принимаемого излучения (∆λ =
0,4...2 мкм) – как видимое, так и невидимое излучение;
• интегральная чувствительность Si (зависит от
площади p-n-перехода и может изменяться в пределах
10-3... 1 мкА/люкс);
• темновой ток ( IТ = 10-2... 1 мкА);
• постоянная времени
= 10-3... 1 мкс) –
инерционность очень малая, т. к. ток обусловлен
дрейфом неосновных носителей и не связан с
диффузией носителей через переход.
Электроника
193
153. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Оптроны.
Здесь
светочувствительная
площадка фотодиода
расположена напротив
излучающей площадки
светодиода.
Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для
гальванической развязки входных и выходных цепей. Это позволяет
повысить помехоустойчивость аппаратуры, а также обеспечить
совместную работу устройств, находящихся под разными
потенциалами.
Электроника
194
154. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Интегральные диодыМетодичка №4536, А.А. Щука «Электроника» с.288
Электроника
200
155. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1Дано:
ВАХ диода, UП = 2 В, R = 1 кОм. Определить I и
UR , UД
UП
I
R1
VD1
Электроника
201
156. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1UП
I
R1
По 2 закону Кирхгофа:
UП = UR + UД
или
VD1
UП = I .R1 + UД
Электроника
202
157. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1UП = UR + UД
1.
тогда
UП = I .R1 + UД
или
I = 0,
UХХ = UП = 2 В
2.
UД = 0,
тогда
IКЗ = UП / R1= 2 мА
Электроника
203
158. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1о
O
O
Электроника
204
159. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1O
Нагрузочная
прямая
O
Электроника
205
160. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1UП = UR + UД
или
UП = I .R1 + UД
Электроника
206
161. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1UП = UR + UД
или
UП = I .R1 + UД
UR = 1 В
UД = 1 В
I = 1 мА
Электроника
207
162. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бОпределить:
IT , rБ , rдиф , R=
Электроника
208
163. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бI1 = 1 мА
U1 = 1 В
I2 = 1,5 мА
U2 = 1,17 В
Электроника
210
164. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бU T ln I T ln IT I rБ
U T ln I T ln IT
rБ
I
U T ln I T
rБ
ln IT
I
I
Электроника
211
165. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бU1 T ln I1 T
ln IT
I1
I1
U 2 T ln I 2 T
ln IT
I2
I2
T
T
A1
ln IT A2
ln IT
I1
I2
Электроника
212
166. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бT
T
A1
ln IT A2
ln IT
I1
I2
A2 A1
A2 A1
ln IT
T T
1
1
T
I1 I 2
I1 I 2
Электроника
213
167. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бIT e
A2 A1
1 1
T
I
I
1 2
Электроника
214
168. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бA1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
Электроника
215
169. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бA1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
IT = 3,717 .10-15 A
Электроника
216
170. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бA1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
IT = 3,717 .10-15 A
rБ = 319,02 Ом
Электроника
217
171. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бРанее для перехода
Для диода (по ВАХ)
По постоянному току
rдиф
T
rдиф
I IT
U
I
U
R
I
Электроника
218
172. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бДля перехода
r диф1= 25,875 Ом
r диф2= 17,25 Ом
Электроника
219
173. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бr диф1= 25,875 Ом
Для перехода
r диф2= 17,25 Ом
Для диода (по ВАХ)
Электроника
r диф= 340 Ом
220
174. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.1бr диф1= 25,875 Ом
Для перехода
r диф2= 17,25 Ом
Для диода (по ВАХ)
По постоянному току
r диф= 340 Ом
R=1 = 1 кОм
R=2 = 780 Ом
Электроника
221
175. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ЗадачаДано:
UВХ = 15 В, R1 = 1,0 кОм.
2.3
Определить UВЫХ
Электроника
233
176. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4Дано:
IТ = 10 мкА при Т = 300 К, UВХ = 40 В, R1 = 20 кОм.
Определить UВЫХ
R1
+
VD1
UВХ
UВЫХ
-
Электроника
234
177. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4Решение:
I ≈ UВХ / R1 т.к. R1 >> rпр
Для упрощения будем считать, что rБ = 0, тогда:
I IТ e
U
Т
Электроника
1
235
178. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4U ВЫХ
I
U T ln 1
IT
Точно, считая, что rБ = 100 Ом:
U ВЫХ
I
U T ln 1 I rБ
IT
Электроника
236
179. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4U ВЫХ 0,138 В
Электроника
237
180. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4U ВЫХ 0,138 В
Точно, считая, что rБ = 100 Ом:
U ВЫХ 0,338 В
Электроника
238
181. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.5Дано:
ЕВХ = 20 В, UВХ~ = 3 В, R = 10 кОм.
Определить UВЫХ
Электроника
239
182. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.5Решение:
Положение р.т. определяется постоянной составляющей тока диода
I ≈ ЕВХ / R1
т.к. R1 >> rпр
rдиф
T
I IT
U ВЫХ U Д U ВХ
Электроника
rдиф
rдиф R1
240
183. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4I 2
мА
Электроника
241
184. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.4I 2
мА
U ВЫХ 3,876 мВ
Домашнее задание:
Используя формулу Эберса-Молла для прямой ветви
диода (с учетом падения напряжения на базе диода) определить
дифференциальное сопротивление диода и уточнить выходное
переменное напряжение.
Электроника
242
185. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.6Дано:
rпр = 40 Ом, Rобр = 400 кОм, СД = 80 пФ.
Определить на какой частоте произойдет заметное увеличение
обратного тока (емкостное сопротивление станет равным Rобр ).
Электроника
243
186. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.6Решение:
XC 1
f 1
2 f C
1
2 X C C
2 Rобр C
Электроника
244
187. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.6Ответ:
f = 4,974 кГц
Электроника
245
188. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.7Определить влияние сопротивления нагрузки на точность
стабилизации напряжения на нагрузке
Электроника
246
189. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.7Решение:
IR1 = IСТ + IН
Учитывая, что
UН = UСТ ,
U ВХ U СТ
U СТ
I СТ
R1
RН
U ВХ
1
1
R1 I СТ R1
U СТ
RН R1
Переходим к приращениям с учетом, что
Электроника
I СТ
U СТ
rдиф
247
190. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.7U СТ
U ВХ
R1
R1
1
rдиф RН
Для обеспечения стабилизации должны выполняться условия:
R1 >> rдиф
Электроника
и
R1 >> RН
248
191. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8Дано:
КС191 : UСТ = 9,1 В, IСТ.MIN = 3 мА, IСТ.MAX = 15 мА, rДИФ = 47 Ом.
RН = 1 кОм. Необходимо обеспечить ΔUВЫХ = 1 % при ΔUВХ = 10 %
Определить UВХ и R1
Электроника
249
192. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8Решение:
U СТ
U ВХ
R1
R1
1
rдиф RН
U СТ
1
U ВХ 1 R1 R1
rдиф RН
Электроника
250
193. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8U ВХ
1
U С Т
R1
1
1
rдиф RН
Электроника
251
194. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8R1 = 404,011 Ом
Выбираем ближайшее значение
сопротивления резистора из номинального
ряда Е24:
R1 = 390 Ом
Электроника
252
195. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8U ВХ.ном U R1.ср UСТ
где
U R1.ср IСТ.ср I Н R1
I С Т.ср
IН
I С Т.m ax I С Т.m in
U СТ
2
RН
Электроника
253
196. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8U R1.ср 7.059 В
Электроника
254
197. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8U R1.ср 7.059 В
Ответ:
U ВХ.ном 16,159 В
Электроника
255
198. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8бДля этой же схемы определить допустимые пределы
изменения входного напряжения при которых сохраняется
режим стабилизации.
Электроника
256
199. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8бРешение:
U ВХ.MAX I Н I СТ . MAX R1 U СТ
U ВХ.MIN I Н I СТ . MIN R1 U СТ
Электроника
257
200. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8бОтветы:
U ВХ.MAX 18.499 В
Электроника
258
201. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.8бОтветы:
U ВХ.MAX 18.499 В
U ВХ.MIN 13.819 В
Электроника
259
202. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.9Дано:
Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитрона
2С156Т 0,04 % /0С . Каким будет его напряжение стабилизации при
температуре 70 0С?
Дано:
UСТ = 5,6 В
при
Т1 = 20 0С. αСТ = – 0,04 % /0С. Т2 = 70 0С
Электроника
260
203. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.9Решение:
αСТ = ∆UСТ /(UСТ∆T)
Отсюда нужно выразить
∆UСТ
Электроника
261
204. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.9∆UСТ = αСТ .UСТ . ∆T = αСТ .UСТ . (T2 – T1)
Электроника
262
205. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.9∆UСТ = - 0.112 В
UСТ2 = UСТ + ∆UСТ
Электроника
263
206. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.9∆UСТ = - 0.112 В
UСТ2 = UСТ + ∆UСТ
UСТ2 = 5.488 В
Электроника
264
207. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.10Дано:
Барьерная емкость диода составляет 200 пФ при обратном
напряжении 2 В. Какое требуется обратное напряжение, чтобы
уменьшить емкость до 50 пФ? (считать uК = 0,82 В).
Дано:
Св1(U) = 200 пФ
Св2(U) = 50 пФ
при
при
U1 = 2 В,
U2 = ?
Электроника
265
208. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.10uК
C в (U ) C в (0)
uК U
Отсюда
где
C в ( 0)
C в 1 (U )
uК
uК U 1
U1 = 2 В, Св1(U) = 200 пФ
Электроника
266
209. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.10Cв (0) 370,9 пФ
Из этой формулы нужно выразить U2 :
uК
C в 2 (U ) C в (0)
uК U 2
Электроника
267
210. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.101
U 2 uК
1
2
C в 2 (U )
C в ( 0)
Ответ :
Электроника
268
211. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Задача 2.101
U 2 uК
1
2
C в 2 (U )
C в ( 0)
Ответ :
U2 44.3 В
Электроника
269
212. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.
270
213. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.
272
214. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВажно учитывать, что p-n переходы транзистора из-за очень
малого расстояния между переходами, которое называют толщиной
базы, сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода
сильно влияет на ток другого, и наоборот.
Электроника
273
215. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫIК = IЭ – IБ = αIЭ
где α = 0,95...0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.
Электроника
275
216. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЭлектроника
276
217. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫМодуляция толщины базы (эффект
Эрли).
Электроника
278
218. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫНакопление
заряда в базе.
Рассасывание
заряда в базе.
неосновных
носителей
неосновных
Эти
два
процесса
быстродействие транзистора.
Электроника
носителей
влияют
на
281
219. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСхемы включения транзистора
VT1
Iвх
Iвых
Электроника
Rн
283
220. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСхемы включения транзистора
В зависимости от того, какой электрод
транзистора является общим:
с общей базой (ОБ),
общим эмиттером (ОЭ) и
общим коллектором (ОК).
Электроника
284
221. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫРежимы работы транзистора:
активный, когда переходы
Э-Б ← UПР , К-Б ← UОБР ;
• насыщения,
когда оба перехода включены в прямом направлении;
• отсечки (запирания),
когда оба перехода включены в обратном направлении;
• инверсный, когда
Э-Б ← UОБР , К-Б ← UПР
Электроника
286
222. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫРазличают 3 вида коэффициентов усиления:
• коэффициент усиления по току
КI = ΔIВЫХ / ΔIВХ ;
• коэффициент усиления по напряжению
КU = ΔUВЫХ / ΔUВХ ;
• коэффициент усиления по мощности
КP = ΔPВЫХ / ΔPВХ = =КI * КU
Входное сопротивление:
RВХ = ΔUВХ / ΔIВХ .
Электроника
288
223. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ОБ)
Iэ VT1
-
ЕБ
Uкб
Uэб
Iб
+
Iк
Полярность источников ЕБ
и ЕК соответствует активному
режиму работы транзистора.
Rн
Uн
UВХ = UЭБ , UВЫХ = IК RН
IВХ = IЭ, IВЫХ = IК.
- ЕК +
КI ОБ = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIК / ΔIЭ = α = 0,95...0,99.
RВХ ОБ = ΔUВХ / ΔIВХ = ΔUЭБ / ΔIЭ .
RВХ ОБ = единицы — десятки Ом.
Чем мощнее транзистор, тем больше будет ток эмиттера и тем
меньше его входное сопротивление.
Электроника
290
224. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩЕЙ БАЗОЙ
КU ОБ
U ВЫХ
I ВЫХ RН
I К RН
RН
RН
U ВХ
I ВХ RВХ ОБ I Э RВХ ОБ RВХ ОБ RВХ ОБ
При достаточно большом сопротивлении нагрузки коэффициент
КUОБ может достигать 1000.
КP ОБ = КI ОБ * КU ОБ = α α RН / RВХ ОБ ≈ RН / RВХ ОБ ,
Электроника
292
225. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ОЭ)
Полярность источников ЕБ и ЕК соответствует активному режиму
работы транзистора.
UВХ = UБЭ , UВЫХ = IК RН , IВХ = IБ, IВЫХ = IК.
Электроника
294
226. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
КI ОЭ = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIК / ΔIБ = β.
β – коэффициент передачи тока базы (коэффициент усиления
тока в схеме с ОЭ).
Найдем связь между β и α.
Определено ранее ΔIК = α ΔIЭ , а ток базы ΔIБ = ΔIЭ - ΔIК =
=ΔIЭ - α ΔIЭ .
Подставив это в предыдущую формулу получим
КI ОЭ = ΔIК / ΔIБ = α ΔIЭ /(ΔIЭ - α ΔIЭ) = α / (1- α)= β,
т.е. β = α / (1- α).
При α = 0,98
КI ОЭ = 0,98/ (1 — 0,98) ≈ 50.
RВХ ОЭ = ΔUВХ / ΔIВХ = ΔUБЭ / ΔIБ =
ΔIБ = ΔIК / β → = β ΔUБЭ / ΔIК ≈ β ΔUБЭ / ΔIЭ .
Так как ΔUЭБ / ΔIЭ= RВХ ОБ,
то RВХ ОЭ ≈ β RВХ ОБ, т.е. RВХ ОЭ>> RВХ ОБ (сотни Ом - ед. кОм).
Электроника
295
227. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
U ВЫХ
I К RН
RН
RН
КU ОЭ
КU ОБ
U ВХ
I Б RВХ ОЭ RВХ ОЭ RВХ ОБ
КP ОЭ = КI ОЭ * КU ОЭ = β2 RН / RВХ ОЭ
Благодаря отмеченным свойствам схема с ОЭ нашла очень
широкое применение.
Электроника
296
228. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
При изменении режима работы транзистора коэффициент α изменяется
в абсолютном значении незначительно и остается близким к единице, в то
время как диапазон изменений коэффициента β будет большим.
Коэффициент передачи тока базы зависит также и от температуры.
Увеличение β связано с ростом времени жизни неосновных носителей в
базе при увеличении температуры.
Электроника
297
229. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
Сбл
+
Uкэ
Iб
Eк
-
Uвх
EБ
Uбэ
Rн
Iэ Uвых
Здесь RН включено не в
цепь коллектора, а в цепь
эмиттера (но по переменному
току оно включено между Э и
К).
UВХ – U между Б и
корпусом (коллектором по
переменному току),
UВЫХ = IЭ RН ,
IВХ = IБ, IВЫХ = IЭ.
Особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по
напряжению. Действительно (с учетом того, что UВХ = UВЫХ +
UБЭ )
U
U
КU ОК
ВЫХ
U ВХ
ВЫХ
U ВЫХ U БЭ
Электроника
1
300
230. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
С учетом того, что
β = ΔIК / ΔIБ,
КI ОК = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIЭ / ΔIБ = (ΔIК + ΔIБ) /
ΔIБ = (ΔIК / ΔIБ) + 1 = β + 1 ,
т. е. примерно такой же, как и в схеме с ОЭ.
RВХ ОК
U ВХ U БЭ U ВЫХ U БЭ I Э RН
I ВХ
I Б
I Б
UБЭ << UН, поэтому им можно пренебречь. Тогда, учитывая
что IЭ = IК + IБ = β IБ + IБ = IБ (β + 1), величина
входного сопротивления запишется как
RВХ ОК
I Б ( 1 ) RН
( 1 ) RН
I Б
Электроника
301
231. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
Таким образом, RВХ ОК многократно превосходит RВХ схем с
ОЭ и ОБ и составляет десятки-сотни кОм.
КP ОК = КI ОК КU ОК ≈ β+1 ≈ β,
Электроника
т.е. в десятки-сотни раз.
303
232. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1
VТ1
Показать полярности
питающих напряжений для
случаев работы транзистора:
а) в активном режиме,
б) в режиме отсечки,
в) в режиме насыщения,
г) в инверсном режиме
Электроника
304
233. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1а
VТ1
Режим работы
транзистора p-n-p типа:
активный
Электроника
305
234. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1а
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Режим работы
транзистора p-n-p типа:
активный
Электроника
306
235. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1а
Режим работы
транзистора p-n-p
активный
VТ1
-
+
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
-
+
Электроника
307
236. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1б
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим отсечки
308
237. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1б
VТ1
-
UЭБ
ЕБЭ
+
UКБ
ЕКБ
Режим отсечки
+
Электроника
309
238. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1в
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим насыщения
310
239. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1в
VТ1
+
+
UЭБ
ЕБЭ
-
UКБ
ЕКБ
Режим насыщения
-
Электроника
311
240. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1г
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим инверсный
312
241. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.1г
VТ1
ЕБЭ
+
+
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Режим инверсный
-
Электроника
313
242. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.2 : домашнее задание
VТ1
Показать полярности
питающих напряжений для
случаев работы транзистора:
а) в активном режиме,
б) в режиме отсечки,
в) в режиме насыщения,
г) в инверсном режиме
Электроника
314
243. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫСтатические вольт-амперные характеристики
Эти характеристики показывают зависимости между токами и
напряжениями в транзисторе и снимаются при постоянном токе и
отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Входная характеристика — это IВХ = f (UВХ)
при
фиксированных значениях UВЫХ = const.
Выходные характеристики (обычно семейство характеристик)
— это IВЫХ = f (UВЫХ)
при
IВХ = const (или UВХ = const).
Иногда используется проходная характеристика –
IВЫХ = f (UВХ) при UВЫХ = const.
Для каждой из трех схем включения существует свое семейство
характеристик.
Электроника
316
244. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные характеристики схемы с ОЭ
IБ = f (UБЭ) при UКЭ = const .
UКБ
VТ1
Выход
Вход U
БЭ
UКЭ
Электроника
317
245. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные характеристики схемы с ОЭ
При ↑Uк
характеристика
будет
незначительно
смещаться
вправо.
Электроника
318
246. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные характеристики схемы с ОЭ
Это
объясняется
проявлением
эффекта Эрли:
При ↑Uк (которое
является обратным
для перехода К-Б)
будет ↑ dОБР =>
↓толщина базы =>
↓ I Б.
Электроника
319
247. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные характеристики схемы с ОЭ
С ростом
температуры
характеристика,
наоборот,
смещается влево.
Электроника
320
248. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВыходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UКЭ) при IБ =const
UКБ
VТ1
Выход
Вход U
БЭ
UКЭ
Электроника
321
249. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВыходные характеристики схемы с ОЭ
Пока │UКЭ│ < UБЭ
UКБ = UКЭ — UБЭ прямое, (режим
насыщения). Это резко ↓ IК (из-за встречного потока носителей,
инжектируемых коллектором).
При
│UКЭ│ > UБЭ
UБК становится обратным (активный
режим), => мало влияет на величину IК, который определяется в
основном током IЭ. При таком напряжении все носители,
инжектированные эмиттером в базу и прошедшие через область
базы, устремляются к внешнему источнику.
При напряжении UБЭ < 0 эмиттер носителей не инжектирует и
IБ = 0, однако в коллекторной цепи протекает ток IК0 (самая
нижняя
выходная
характеристика).
Этот
ток
соответствует
обратному току I0 обычного p-n-перехода.
Электроника
322
250. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВыходные характеристики схемы с ОЭ
По 2-ому закону Кирхгофа UКЭ
+ IК RН = EК .
Нагрузочная прямая
Электроника
324
251. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВыходные характеристики схемы с ОЭ
Точка р –
рабочая точка
Электроника
326
252. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВыходные характеристики схемы с ОЭ
(См. также Жеребцов И.П. Основы электроники, с.76-78)
328
253. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПроходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UБЭ)
при (UКЭ =const).
Электроника
330
254. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3
UКБ
Дано:
VТ1
а) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
б) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКЭ
в) UБЭ = - 0,4 В,
UБЭ
UКЭ = 10 В.
Определить режимы
работы транзистора
для каждого случая.
Электроника
331
255. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
VТ1
UКЭ
UБЭ
Электроника
332
256. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
VТ1
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
2-й з.К.: UКЭ = UКБ + UБЭ
отсюда
Электроника
UКБ = UКЭ – UБЭ
333
257. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
UКБ = – 0,1 В.
VТ1
-
+
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Электроника
334
258. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
UКБ = – 0,1 В.
VТ1
-
+
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Режим работы транзистора: насыщения
Электроника
335
259. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3б
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
336
260. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3б
В
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
UКБ = 9,6
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Режим работы:
активный
Электроника
337
261. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
UКЭ
UБЭ
Электроника
338
262. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Электроника
339
263. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКБ
UКЭ = 10 В.
UКБ = 10,4 В
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Электроника
340
264. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКБ
UКЭ = 10 В.
UКБ = 10,4 В
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Режим
отсечки
Электроника
341
265. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУпражнения
Задача 3.4
UКБ
Дано:
VТ1
а) UБЭ = - 0,4 В,
UКЭ = - 0,3 В.
ЕБЭ U
БЭ
UКЭ
б) UБЭ = - 0,4 В,
ЕКЭ
UКЭ = - 10 В.
в) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = - 10 В.
Определить режимы
работы транзистора
для каждого случая.
Электроника
342
266. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
343
267. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
344
268. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
345
269. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
346
270.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
347
271.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные и выходные характеристики схемы с ОБ
IЭ = f (UЭБ) при UКБ = const.
VТ1
IЭ
UКЭ
IК
_
Вход
+
+
UЭБ
IБ
UКБ
Выход
_
Электроника
348
272.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВходные и выходные характеристики схемы с ОБ
IЭ = f (UЭБ) при UКБ = const.
UЭБ< 0 соответствует
прямому включению
эмиттерного перехода.
Характеристика при
UКБ = 0 практически
совпадает с прямой
ветвью ВАХ п/п диода
Электроника
349
273. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные и выходные характеристики схемы с ОБUЭБ < 0, UКБ > 0 активный режим. Сдвиг ВАХ относительно
характеристики для UКБ = 0 влево обусловлен эффектом Эрли.
UЭБ < 0, UКБ < 0 режим насыщения. Сдвиг ВАХ относительно
характеристики для UКБ = 0 вниз.
С ростом температуры ВАХ (также как и в схеме с ОЭ) смещается
влево.
VТ1
IЭ
UКЭ
IК
_
Вход
+
+
UЭБ
IБ
UКБ
Выход
_
Электроника
351
274. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные и выходные характеристики схемы с ОБВыходные характеристики — это зависимости IК = f (UКБ)
при IЭ = const.
При UКБ > 0
активный режим,
где IК = α IЭ,
т. к. α ≈ 1,
то IК ≈ IЭ.
Электроника
353
275. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные и выходные характеристики схемы с ОБНаклон характеристик численно определяется
дифференциальным сопротивлением коллекторного
перехода:
rК
U КБ
I К при I Э const
С учетом эффекта Эрли
и заданном UКБ.
IК = α IЭ + IК Б0 + UКБ / rК .
Область при UКБ < 0 – режим насыщения (полный ток IК
↓↓↓).
(См. также Жеребцов И.П. Основы электроники, с.79-81; Лачин, Савелов
Электроника, с.58-63)
Электроника
355
276. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЗадача 3.6
VТ1
Дано:
UКЭ
UЭБ = - 0,5 В,
UКБ = 12 В.
Определить режим
работы транзистора
UЭБ
и напряжение UКЭ .
UКБ
Электроника
356
277. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЗадача 3.6
VТ1
Дано:
UКЭ
UЭБ = - 0,5 В,
UКБ = 12 В.
_
+
UЭБ
+
Определить режим
работы транзистора
UКБ
_
Электроника
357
278. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЗадача 3.6
VТ1
UКЭ
_
+
UЭБ
+
режим работы
транзистора:
активный
UКБ
_
Электроника
358
279. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЗадача 3.6
VТ1
UЭБ = - 0,5 В, UКБ = 12 В.
UКЭ
_
UЭБ
+
UКЭ + UЭБ – UБК = 0
+
UКЭ = – UЭБ + UБК
UКБ
_
Электроника
359
280. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.7Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ, IБ= f(UКБ) и
IЭ=f(UКЭ) для схем ОК
Электроника
360
281. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.7а БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ
VТ1
VТ1
UКЭ
IЭ
Вход
IЭ
IК
-
+
UЭБ
+
-
UКБ
UКЭ
Выход
Вход
+
-
UЭБ
UКБ
-
IБ
Электроника
IК
+
IБ
Выход
361
282. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.7а БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ
VТ1
UКЭ
IЭ
IК
-
+
Вход
UЭБ
-
IЭ = I К + IБ
+
IБ
UКБ
Выход
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
362
283. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияИз Задачи 3.5
Электроника
363
284. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЭлектроника
364
285. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ТРАНЗИСТОРЫЗадача 3.7б БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить
IБ= f(UКБ) и IЭ=f(UКЭ) для схем ОК
VТ1
IБ
UЭБ
+
_
UКЭ
+
Вход
I Э = I К + IБ
UБК
IЭ
_
Выход
IК
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
365
286. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
УпражненияЭлектроника
366
287. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторовИспользуются модели – в виде физической (эквивалентные
схемы) или активного четырехполюсника.
Простейшая модель в виде эквивалентной схемы –
модель Эберса-Молла.
368
288. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторовТоки IЭ и IК в общем случае содержат две составляющие:
инжектируемую (I1 или I2) и собираемую (αI I2 или α I1):
IЭ = I1 – α I I2 ,
I К = α I1 – I2 .
ВАХ идеальных диодов аппроксимируются формулами вида:
U БЭ
Т 1
I1 I Э 0 e
и
U БК
Т 1
I2 I К0 e
Сделав подстановку, получим:
Электроника
369
289. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторовU БК
U БЭ
Т
Т 1
I Э I Э0 e
1 I IК0 e
IК
U БК
U БЭ
Т
Т 1
I Э 0 e
1 IК0 e
IБ IЭ IК
U БК
U БЭ
Т
Т 1
1 I Э 0 e
1 1 I I К 0 e
Из этих уравнений можно получить аналитические выражения
для любого семейства характеристик в любой схеме включения.
Электроника
370
290. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модифицированная модель Эберса-Молла372
291. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторовМодель в виде физической схемы замещения малосигнального
интегрального транзистора.
Основное отличие интегрального транзистора от дискретного
заключается в наличие у него дополнительного rК ~100…200 Ом и
дополнительного («паразитного») диода, который можно
представить как параллельно соединенные RКП и CКП.
373
292. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов ввиде активных четырехполюсников
Электроника
376
293. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторовСистема H-параметров
Здесь в качестве независимых переменных выбираются i1 и u2,
тогда
u1 = f1(i1,u2), i2 = f2(i1,u2) .
Для полных приращений зависимых переменных запишем:
U 1
U 1
dU1 I dI1 U dU 2
1
2
dI I 2 dI I 2 dU
2
2 I 1 1 U 2
Заменим dU 1 , dU 2 , dI 1 и dI 2 на комплексные составляющие,
а частные производные обозначим через H:
Электроника
377
294. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиU 1 H 11 I 1 H 12U 2
I
H
I
H
U
2
21 1
22 2
где коэффициенты H:
H11
U 1
I 1
H11
при U 2 0 или
Физический смысл H11 – входное
выходе.
H 12
U 1
U 2
при I 1 0
или
u1
i1
при U2 = const.
сопротивление
u
H12 1
u2
при к.з. на
при I1 = const.
Это коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на
входе.
Электроника
378
295. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиH 21
I 2
I 1
при U 2 0
i2
H
или
21
i1 при U2= const
Это коэффициент передачи тока при к.з. на выходе.
H 22
I 2
U 2
при I 1 0 или
H 22
i2
u2
при I1 = const
Это выходная проводимость при холостом ходе на входе.
На постоянном токе и низких частотах H-параметры считаются
действительными величинами и обозначаются h.
Электроника
380
296. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиI 2
I 1
h21 I 1
h11
U 1
h22
U 2
h12U 2
Здесь генератор ЭДС h12U 2 и генератор тока
связь входной и выходной цепей.
h21 I 1
учитывают
Можно установить связь h-параметров с собственными
параметрами транзисторов (см. Жеребцов, Основы электроники
с.86-87).
Электроника
382
297. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиСистема Y-параметров
Здесь напряжения u1 и u2 – независимые переменные,
i1 = f1(u1,u2) и i2 = f2(u1,u2) .
По аналогии с H-параметрами (также записывается система
уравнений для полных приращений зависимых переменных, а
затем dI , dI , dU и dU
заменяются на комплексные
1
2
1
2
составляющие, а частные производные обозначаются через y):
I 1 y11U 1 y12U 2
y U
I
y
U
2
21 1
22 2
298. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиВ эквивалентной схеме, соответствующей системе уравнений,
y21U 1 учитывает усиление, создаваемое
генератор тока
транзистором, а генератор тока y1 2U 2 — внутреннюю обратную
связь в транзисторе.
y12U 2
Электроника
385
299. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиДля низких частот y-параметры являются чисто активными, и
обозначаются буквой g с соответствующими индексами.
Входная проводимость (КЗ на выходе)
I 1
при U 0 или y
2
y11
11
i 1
U1
u1
при U2=const.
Нетрудно видеть, что y11 является величиной, обратной h11:
y11 = 1/h11.
Проводимость обратной связи (обратная проводимость) (КЗ на входе)
y12
I 1
U 2
при U 1 0
или y12
Электроника
i1
u2 при U1=const.
386
300. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модели биполярных транзисторов - четырехполюсникиПроводимость управления (крутизна) при КЗ на выходе:
y21
I 2
U 1
при U
или y i2
0
2
21
u
при U2=const.
1
Параметр у21 связан с h-параметрами простым соотношением
y21 = h21 / h11
Величина у21 характеризует управляющее действие входного
напряжения u1 на выходной ток i2 .
Выходная проводимость (КЗ на входе):
y22
I 2
при U 1 0
U
или y 22
2
i 2
u2
при U1=const.
Заметим, что y22 и h22 являются различными величинами, так как
они определяются при разных условиях (КЗ на входе и ХХ на входе).
Электроника
387
301. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Влияние температуры на характеристики ипараметры биполярных транзисторов
При повышении температуры увеличивается проводимость
полупроводников и токи в них возрастают.
Особенно сильно растет с повышением температуры обратный
ток p-n-перехода. У транзисторов таким током является начальный
ток коллектора (IК0). Возрастание этого тока приводит к
изменению характеристик транзистора.
Увеличение температуры приводит к росту коллекторного тока
и выходные характеристики будут смещаться вверх.
Электроника
389
302. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторовЭлектроника
390
303. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторовВлияние температуры на выходные характеристики в схеме с
ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Схема ОЭ обладает
низкой температурной стабильностью, что является ее
существенным недостатком по сравнению со схемой ОБ.
Для обеспечения постоянства режима используется температурная стабилизация,
но она не может полностью устранить изменение параметров транзистора.
Влияние температуры на входные и проходные характеристики
было рассмотрено ранее.
Следует подчеркнуть, что при изменении температуры
изменяются не только характеристики, но и все параметры
транзистора.
Электроника
395
304. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторов(И.П.Жеребцов Основы электроники, с.97-99)
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами,
снижается. У этого явления две главные причины.
Во-первых, на более высоких частотах сказывается
вредное влияние емкости коллекторного перехода Ск.
На высоких частотах ХСК становится малым и в него ответвляется заметная
часть тока, создаваемого генератором, а ток через RH соответственно уменьшается.
Следовательно, уменьшаются КI, КU и КP , UВЫХ и PВЫХ.
Таким образом, вследствие влияния (главным
образом) емкости СК на высоких частотах уменьшаются
коэффициенты усиления α и β.
Электроника
396
305. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовВторая причина — отставание по фазе переменного
тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения
носителей через базу от эмиттера к коллектору, а также
инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в
базе.
Электроника
399
306. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовIэ
Iб
Iэ
Iб
Iб
Iк
Iк
Iэ
Электроника
Iк
400
307. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовПринято считать предельным допустимым уменьшение
значений α и β на 30% по сравнению с их значениями α0 и β0 на
низких частотах. Те частоты, на которых α = 0,7α0 и β = 0,7β0,
называют предельными частотами усиления для схем ОБ и
ОЭ (соответственно fα и fβ).
Т.к. β уменьшается гораздо сильнее, нежели α, то fβ<< fα .
(fβ ≈ fα / β).
Электроника
402
308. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовЭлектроника
403
309. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовМаксимальная частота генерации fmах : КP = 1
Граничная частота усиления тока fгр (или fТ ):
КI = 1
Зависимость коэффициента передачи тока базы от частоты
f
0
f
1 j
f
при f >3 fβ
0 f fТ
f
f
f
На высоких частотах изменяются все параметры
транзистора и они будут комплексными величинами.
Электроника
405
310. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Частотные свойства биполярных транзисторовУлучшение
транзисторов:
частотных
свойств
1. ↓СК
2. ↓τпр
Электроника
407
311. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
На самостоятельное изучение:Технология изготовления биполярных транзисторов
Литература: Миловзоров, Панков Электроника с.31-32
Электроника
418
312. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫFET – Field Effect Transistor)
Электроника
419
313. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы
с управляющим p-n-переходом
Электроника
420
314. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫУстройство и принцип работы
Электроника
421
315. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Выходная (стоковая) характеристика IC = f(UCИ) при UЗИ = const.
Проходная (управляющая, передаточная, стокозатворная)
характеристика IC = f(UЗИ) при UСИ = const.
Электроника
422
316. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Напряжение отсечки
UОТС= UЗИ ,
при котором IC ≈ 0.
Крутизна:
const.
S = ΔIC / ΔUЗИ
при UСИ =
RВХ - очень большое.
Электроника
423
317. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы
с изолированным затвором
МДП (металл–диэлектрик–полупроводник)
MISFET
и
МОП
MOSFET.
(металл–оксид–полупроводник)
Канал n или p-типа может быть встроенным (т.е.
созданным при изготовлении) и индуцированным (т.е.
наводящимся
под
влиянием
напряжения,
приложенного к затвору).
Электроника
424
318. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзистор с встроенным каналом
(обедненного типа)
С
П
З
И
с каналом
n-типа
с каналом
p-типа
Электроника
425
319. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫМДП транзисторы с встроенным каналом
Устройство и принцип работы
Электроника
426
320. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫМДП транзисторы с встроенным каналом
Вольт-амперные характеристики
Электроника
427
321. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзисторы
с индуцированным каналом
(обогащенного типа)
С
П
З
И
с каналом
p-типа
с каналом
n-типа
Электроника
428
322. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫМДП транзисторы с индуцированным каналом
При
UЗИ = 0
канал отсутствует
Если UЗИ > UЗИпор, возникает канал
Электроника
429
323. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫМДП транзисторы с индуцированным каналом
UЗИпор = 0,1…0,2 В
для N-МДП ПТ
и UЗИпор = 2…4 В
для P-МДП ПТ.
Электроника
430
324. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с барьером
Шоттки (ПТШ)
(или полевые транзисторы с управлящим
переходом «металл-п/п» – MEП-транзисторы)
GaAs:
подвижность электронов 4…5 х103 см2/В.с
(0,8…1,3 х103 у Si)
ширина запрещенной зоны > чем у Si
Электроника
431
325. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Электроника
432
326. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Толщина проводящего канала
d К d К 0 L0 ,
где L0 f (U ЗИ )
- толщина обедненной области
При напряжении UЗИ < U0 ПТШ закрыт: IС = 0.
Пороговое напряжение отпирания
q NД d
U 0 U бШ
2 0 П
Электроника
2
К
433
327. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
где UбШ – высота барьера Шоттки (UбШ =0,8 В),
NД – концентрация донорных примесей в
канале,
εП =13,1 – относительная диэлектрическая
проницаемость GaAs.
Путем выбора значений NД и dК0, получают
ПТШ, имеющие U0 > 0 или U0 < 0.
Электроника
434
328. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПолевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Проходные (сток-затворные) и выходные (стоковые) ВАХ ПТШ
Обычно для НО ПТШ U0 ≈ - (0,4…0,8) В, для НЗ ПТШ U0 ≈ 0,1…0,2 В.
В СВЧ микросхемах перспективными являются ПТШ (МЕП-транзисторы) на
гетероструктурах (ГМЕП-транзисторы).
Электроника
436
329. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫЭквивалентные схемы
Например, система y-параметров:
i1 i З y11U ЗИ y12U СИ
i2 iС y21U ЗИ y22U СИ
Электроника
439
330. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫОсновные параметры
1. Крутизна S = 0,1…500 мА/В.
2. Входное сопротивление 108÷10 Ом, у МОП – 1012÷14 Ом.
3. Начальный ток стока при UЗИ = 0
с управляющим p-n-переходом IСнач = 0,2…600 мА,
с встроенным каналом 0,1…100 мА,
с индуцированным каналом 0,01…0,5 мА.
4. Напряжение отсечки UЗИотс = 0,2…10 В
пороговое напряжение UЗИпор = 0,1…4 В.
или
5. Сопротивление С-И в открытом состоянии 2…300 Ом.
6. Максимальная частота усиления (Кр = 1) дес.–сотни МГц …ед.-дес. ГГц.
7. Емкости ССИ, СИЗ, СЗС.
Электроника
440
331. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫПреимущества (по сравнению с БП)
1)
высокое входное сопротивление (особенно МДП);
2) малый уровень собственных шумов (нет
рекомбинационного шума);
3) высокая плотность расположения элементов при
изготовлении интегральных схем.
Недостаток: требуются особые меры
предосторожности от статического электричества
(особенно МДП).
Электроника
441
332. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫИнтегральные микросхемы: классификация и их
основные компоненты – транзисторы, диоды,
резисторы, конденсаторы. Особенности активных и
пассивных элементов интегральных схем.
Литература:
1. Миловзоров, Панков. Электроника - с.40-45.
2. Методичка 4536.
Более подробно:
1. Жеребцов И.П. Основы электроники – с.143-158.
2. Щука А.А. Электроника – с.288-297.
Электроника
442
333. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектронные лампы
Электровакуумные приборы (ЭВП) – это приборы, в
которых ток образуется движением электронов в
вакууме или газе.
Электронные лампы: генераторные, усилительные,
выпрямительные и др.
Диод – имеет 2 электрода: катод и анод.
Триод (К, А + сетка).
Лампы с двумя и более сетками называются
многоэлектродными (тетрод, пентод, гексод, гептод и
октод).
Комбинированная лампа (двойной диод, двойной
триод, триод — пентод, двойной диод — пентод и др.).
Электроника
445
334. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектронные лампы
Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток
эмиссии
Ie = Nq,
где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд
электрона.
Электроника
448
335. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектронные лампы
Катоды
Алунд
(изоляция)
Прямого накала
Косвенного накала
Электроника
449
336. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектронные лампы
В приборах с накаленным активированным катодом (например,
оксидным) наблюдается значительное усиление термоэлектронной
эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля (эффект
Шоттки). Если бы катод не был накален, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре и
наличии внешнего ускоряющего поля вылетает дополнительно много электронов, которые при отсутствии поля
не могли бы выйти.
Электроника
452
337. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
Электроника
454
338. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
Электроны, ушедшие
определяют ток катода
с
катода
безвозвратно,
iК = nq < Ie,
где n — число
возвратившихся.
электронов, ушедших
В диоде:
за
1 с
с катода и не
iа = iК.
Электроника
455
339. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
При изменении
Uа
изменяется iК и
iа = iК.
В этом заключается электростатический
принцип управления анодным током.
Если Uа < 0
то
iа = iК = 0.
Основное
свойство
диода
—
способность проводить ток в одном
направлении от катода к аноду,
имеющему положительный потенциал.
Электроника
456
340. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
Для диода, работающего в
режиме объемного заряда:
iа ≈ g ua3/2
(закон степени трех вторых)
Этот закон неприменим для режима
насыщения, когда iа = Is = const.
Кривая ОАБ –теоретическая характеристика диода.
Электроника
457
341. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
Анодная характеристика диода
const
Электроника
iа= f (Uа) при UН =
459
342. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного диода
Параметры диодов:
U Н , IН , Ie .
Крутизна
S = Δiа / Δuа
при UН = const .
У современных диодов S = 1…50 мА/В.
Внутреннее дифференциальное сопротивление (Ri):
Ri = Δuа / Δiа= 1/ S
составляет сотни, а иногда десятки Ом.
R0 :
Обычно сопротивление
следует, что R0 = 3/2 Ri,
R0 = uа / iа .
R0
несколько больше
Электроника
Ri .
Из закона степени 3/2
460
343. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного триода
(Жеребцов Основы электроники с.224-226, 227-234, 249-250
Сетка служит для
электростатического
управления
анодным током.
Электроника
462
344. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного триода
iк = ia + ig .
В триоде катодный и анодный токи равны только
при ug < 0, так как в этом случае ig = 0.
Коэффициент усиления
ua
u g
при
ia = const
В современных триодах μ равен единицам или десяткам.
Электроника
464
345. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИУстройство и работа электровакуумного триода
Проницаемость
D = 1/ μ .
Очевидно, что D < 1.
Запирающее ugзап (отрицательное), когда ia = 0 .
Электроника
465
346. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИСтатические ВАХ электровакуумного триода
Анодно-сеточные (проходные) характеристики iа= f(Ug) при Uа= const.
Электроника
466
347. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИСтатические ВАХ электровакуумного триода
Анодные (выходные) характеристики iа= f(Uа) при Ug = const.
Электроника
467
348. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИПараметры электровакуумного триода
U Н , IН
а также максимальные допустимые параметры:
Ра max, Ua max, Uк-п mах, Iк mах .
Крутизна
S = Δiа / Δug
при Ua= const
У современных триодов S = 1...50 мА/В.
Ri = Δuа / Δiа при Ug = const
В триоде
(Ri = 0,5 — 100 кОм)
μ (или D), S и Ri связаны формулой Баркгаузена:
μ = S Ri (или
) 1
Электроника
D
S Ri
468
349. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИНедостатки электровакуумного триода
1) с ними невозможно получить одновременно высокий коэффициент усиления и
«левую» анодно-сеточную характеристику.
Вследствие этого триоды делают с коэффициентом усиления не выше 100. Для
усиления мощных колебаний без искажений триоды должны иметь «левую» анодносеточную характеристику, т. е. малый коэффициент μ.
2) имеют сравнительно невысокое внутреннее сопротивление Ri.
Чем меньше сопротивление Ri тем сильнее оно шунтирует контур и тем в
большей степени ухудшается работа контура.
3) у них сравнительно высокая проходная емкость Са-g., которая оказывает
вредное влияние.
Основное назначение триодов — усиление электрических колебаний.
Триоды применяются также для генерации электрических колебаний
различной частоты.
Электроника
470
350. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Тетрод
Еа Rа
ia
Ua
g2
UВХ
g1
Rg2
ig2
Ug2
g2 – экранирующая (экранная),
Ca-g – проходная емкость .
Ослабление поля анода экранирующей
сеткой g2 учитывается проницаемостью этой
сетки D2.
Cбл
Ослабление поля управляющей сеткой g1
зависит от ее проницаемости D1.
Проницаемость тетрода
Коэффициент усиления
D = D1 . D2 .
μ ≈ 1/ D .
Электроника
(несколько сотен)
471
351. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
На экранную сетку подается положительное напряжение
Ug2 = (0,2…0,5)Ua .
Сеточное напряжение, запирающее лампу
Ug1 ≈ – D1Ug2 .
Электроника
472
352. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
Недостаток тетрода – динатронный
эффект («провал» в характеристике).
Электроника
473
353. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
В тетроде, работающем с нагрузкой, при ↑Ug1 → ↑ia , а Ua↓
т.к.
Ua= Ea – iaRн.
При усилении сигнала Ug1 изменяется (например, по Cos-закону),
следовательно и ia будет изменяться по этому закону и в некоторые моменты
времени может быть Ua< Ug2 и вторичные электроны, выбитые с анода
будут притягиваться к экранирующей сетке.
Тогда ↑ig2 → ↓ ia, т.к. ia = iK – ig1 – ig2 . В анодной ВАХ появляется
«провал».
Динатронный эффект вреден, т.к. возникают сильные искажения при
усилении и может возникнуть паразитная генерация колебаний (из-за
участка с отрицательным Ri ).
Для исключения динатронного эффекта должно быть всегда:
Ug2 <Ua.
Электроника
474
354. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
+
Еа
_
Ug3
UВХ
Rа
ia
Ua
g3
g1
Rg2
ig2
g2 Ug2
Cбл
Электроника
–
защитная
(антидинатронная) сетка.
g3
Обычно Ug3 = 0.
Электрическое
поле,
создаваемое между g3-A,
тормозит, останавливает и
возвращает
на
анод
вторичные
электроны,
выбитые из анода.
476
355. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Проницаемость пентода D = D1 . D2 . D3 .
Коэффициент усиления μ ≈ 1/ D . (несколько тысяч).
Ri ↑до ед.МОм, Са-g1< чем у тетрода.
Электроника
477
356. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Анодно-сеточные характеристики
пентодов, как и у тетродов, «левые»,
но не используются для расчетов и
поэтому здесь не рассматриваются
На практике используются
зависимости токов iК , iа и ig2 от uа
при постоянных напряжениях на
сетках.
Электроника
478
357. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Семейство анодных
характеристик пентода
снимается при Ug2 = const
и Ug3 = const.
Электроника
480
358. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИМногоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Соотношение μ = S Ri остается в силе. Но т.к. проницаемость D здесь
определяется при iК= const (а не iа= const как в триоде), D ≠ 1 /µ.
Особенность тетродов и пентодов – зависимость µ от режима.
Электроника
481
359. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИВакуумные интегральные схемы (ВИС)
– приборы, где активными элементами являются
электровакуумные микролампы с размерами,
близкими к размерам интегральных транзисторов.
Электровакуумные микролампы (ЭВмЛ) по своим
свойствам во многом подобны полевым транзисторам.
Вакуумные интегральные триоды называют также
вакуумными полевыми транзисторами.
В основе работы ЭВмЛ лежат те же физические
явления, что и в основе работы электровакуумных
триодов. В них используются холодные (не
подогреваемые) катоды, работающие на основе
электростатической (автоэлектронной) эмиссии.
При изготовлении ВИС используется хорошо
отработанная технология полупроводниковых ИС.
484
360. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектровакуумные микролампы
1 - холодный катод (изготовлен
в виде острия),
2 - управляющий электрод
(аналог управляющей сетки)
Между массивной частью
катода и УЭ, выполненным из
металлической пленки,
располагается
диэлектрический слой SiО2.
Структура выполнена на
поверхности диэлектрической
подложки и накрывается
диэлектрическим пустотелым
колпачком.
Электроника
485
361. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИЭлектровакуумные микролампы
«+»
1) скорость электронов может быть намного
больше, чем в полупроводнике,
2) частотные свойства лучше частотных
свойств кремниевых интегральных схем и сравнимы
со свойствами арсенид-галлиевых ИС,
3) обладают лучшей радиационной
стойкостью.
Электроника
487