Электроника. Основные требования к электронным приборам

1.

«Электроника»
Предметом изучения дисциплины являются:
- физические принципы действия, характеристики, модели основных типов активных
приборов.
Цель дисциплины:
- изучить существующую элементную базу, особенности использования ее в
радиотехнических цепях радиоэлектронных устройств, влияние условий эксплуатации на
работу активных приборов и микроэлектронных цепей;
- приобрести навыки экспериментального исследования характеристик, измерения и
расчета параметров активных приборов.
Задачей дисциплины является:
подготовка
специалистов,
способных
эффективно
использовать
современную
элементную базу радиоэлектроники и понимать тенденции и перспективы ее развития.
Электроника
1

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины 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 (контрольной работы) и выполнения лабораторных работ.
Итоговый контроль – экзамен.
Электроника
2

3. Рекомендуемая литература

Основная 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 лаб. работам/ сост.: В.А.Степашкин,
С.П.Озеран. Рязань: РГРТУ, 2017. 56 с. (№5189)
Электроника
3

4. Рекомендуемая литература

Дополнительная 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
4

5. 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
5

6. Классификация электронных приборов

По 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
6

7. Основные требования к 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
7

8. Надежность. Количественная оценка

n
Интенсивность отказов
N t
n – число однотипных элементов, отказавших в
течение промежутка времени t ,
N – число работоспособных элементов в начале
этого промежутка времени.
Электроника
8

9. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Электроника
9

10. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Электроника
10

11. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Электроника
11

12. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Электроника
12

13. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Диэлектрики: ΔW
> 6 эВ
Полупроводники: 0,1 эВ < ΔW < 3 эВ.
Пример:
Ge: ΔW =0,72 эВ, Si: ΔW =1,12 эВ, GaAs: ΔW =1,43 эВ.
Электроника
13

14. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Полупроводники: между атомами молекулы
ковалентные связи, образующиеся за счет
обобществления валентных электронов соседних
атомов.
Электроника
14

15. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Процесс образования пары «свободный электрон
— дырка» — генерацией.
В дырку может «перескочить» валентный электрон из
ковалентной связи соседнего атома. В результате
ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот
процесс называется рекомбинацией), а в соседнем
разрушится, образуя новую дырку.
Электроника
15

16. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Таким образом, проводимость полупроводника
обусловлена
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
16

17. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Если в полупроводнике создать электрическое
поле напряженностью Е, то хаотическое движение
носителей заряда упорядочится. 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
18

18. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Так как носители заряда противоположного знака
движутся 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
19

19. 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.
21

20. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В полупроводниках может быть еще
диффузионный
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
22

21. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Если носители заряда распределены равномерно по
полупроводнику, 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
24

22. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Для создания полупроводниковых элементов
широко применяют примесные полупроводники.
С четырехвалентными германием и кремнием
используют
пятивалентные
примеси
(мышьяк,
сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор,
алюминий, индий, галлий).
Электроника
25

23. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В случае пятивалентной примеси
Электроника
26

24. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В таких полупроводниках электропроводность
обеспечивается 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
27

25. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

При введении трехвалентной примеси
Электроника
28

26. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Дырки в таких полупроводниках становятся основными
носителями 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
29

27. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Уровень Ферми, температурный потенциал
Уровень 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
30

28. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Электрический 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
31

29. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Электронно-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.
Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном p-nпереходе трудно получить те вентильные свойства, которые
необходимы для работы диодов и транзисторов.
Электроника
32

30. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Чаще всего используется переход между двумя областями
полупроводника, имеющими различный тип электропроводности.
При соединении полупроводников p и n типа уровень Ферми становится
общим.
Электроника
33

31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ
ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Жеребцов. Основы
электроники. с.31-33
Электроника
34

32. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
Жеребцов.
Основы
электроники.
с.33-35
Электроника
35

33. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Жеребцов. Основы
электроники. с.35-36
Электроника
36

34. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Жеребцов. Основы
электроники. с.37
Электроника
37

35. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
Электроника
38

36. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
Емкость
p-n-перехода
подразделяют
на
две
составляющие:
барьерную,
отражающую
перераспределение
зарядов
в
p-n-переходе,
и
диффузионную,
отражающую
перераспределение
зарядов вблизи p-n-перехода.
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
= 0.
Электроника
U
39

37. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
Электроника
40

38. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
При 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
41

39. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n
ПЕРЕХОДА
Результирующий 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
42

40. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
При
увеличении
t0 растут и
прямой и
обратный
ток
Электроника
43

41. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Подробно см. Методичка 5189 (теретическая часть л.р.)
и др. рекомендуемая литература
Электроника
44

42. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Электроника
45

43. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Эквивалентная схема диода
R0
а)
Rнл
Cб
Cдиф
б), в)
Lв
Cв
R0
Rпр
Rобр
R0
Rпр
Rобр
г), д)
Cб
Cдиф
Электроника
46

44. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Выпрямительные диоды,
стабилитроны, варикапы
и др. типы диодов см. лит.
Электроника
47

45. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
см. методичка 5189 (теор. часть) и др. лит-ра
.
IЭ VТ1
IК
IБ
n
VТ2
IЭ
IК
IБ
p
n
p
n
p
48

46. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Электроника
49

47. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
IК = IЭ – IБ = αIЭ
где α = 0,95...0,99 — коэффциент передачи тока эмиттера.
Электроника
50

48.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Электрический и тепловой пробой коллекторного
перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в
диоде.
Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может
возникать тепловой пробой без предварительного
электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на
коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное
с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части,
получило название вторичного пробоя.
Электроника
51

49. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

VT1
Iвх
Iвых
Rн
Три схемы включения транзисторов –
с общей базой (ОБ),
общим эмиттером (ОЭ) и
общим коллектором (ОК).
Электроника
52

50. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Режимы 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
53

51. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Различают 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
Электроника
54

52. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входное сопротивление:
RВХ = ΔUВХ / ΔIВХ .
Ri
RВХ
Источник
сигнала
Электроника
55

53. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

СХЕМА с ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ОБ)
Iэ VT1
-
ЕБ
Iк
Uкб
Uэб
Iб
+
Rн
Uн
- ЕК +
Миловзоров О.В., Панков И.Г.
Электроника: Учеб. пособие для вузов.
М.: Высшая школа, 2004. –с. 24 – 26.
Электроника
56

54. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ОЭ)
Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника:
Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа,
2004. –с. 26 – 27.
Электроника
57

55. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
Электроника
58

56. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

СХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
Сбл
+
Uкэ
Iб
Eк
-
Uвх
EБ
Uбэ
Rн
Iэ Uвых
Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника:
Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа,
2004. –с. 30 – 31.
Электроника
59

57. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Электроника
60

58. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Статические 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
61

59. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные характеристики схемы с ОЭ
С ростом
температуры
характеристика,
наоборот,
смещается влево.
Электроника
62

60. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Выходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UКЭ) при IБ =const
Электроника
63

61. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Выходные характеристики схемы с ОЭ
(См. также Жеребцов И.П. Основы электроники, с.76-78)
64

62. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Проходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UБЭ)
при (UКЭ =const).
Электроника
65

63. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные 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
66

64. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
Выходные 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
67

65. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модуляция толщины базы (эффект
Эрли).
Электроника
68

66. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
Наклон 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
69

67. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Используются модели – в виде физической (эквивалентные
схемы) или активного четырехполюсника.
Простейшая модель в виде эквивалентной схемы –
модель Эберса-Молла.
70

68. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модифицированная модель Эберса-Молла
71

69. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Модель в виде
физической схемы замещения малосигнального
интегрального транзистора
Б
rб
rэ
Э
Cк2
rк
Cк1
К
Cэ
0Iб
Rвых
Rкп
Cкп
П
72

70. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов в
виде активных четырехполюсников
Электроника
73

71. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Система 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
74

72. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
U 1 H 11 I 1 H 12U 2
I
H
I
H
U
2
21 1
22 2
где коэффициенты H:
U
H11 1
I1
H11 u1
при U 2 0 или
Физический смысл H11 – входное
выходе.
H 12
U 1
U 2
при I 1 0
или
i1
при U2 = const.
сопротивление
H12
u1
u2
при к.з. на
при I1 = const.
Это коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на
входе.

73. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
H 21
I 2
I 1
при U 2 0
или H 21
i2
i1 при U2= const
Это коэффициент передачи тока при к.з. на выходе.
I
H 22 2
U2
при I 1 0 или
i
H 22 2
u2
при I1 = const
Это выходная проводимость при холостом ходе на входе.
H-параметры наиболее удобны для измерений. На низких
частотах H-параметры считаются действительными величинами и
обозначаются h.

74. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Система 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

75. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Для низких частот y-параметры являются чисто активными, и
поэтому их обозначают 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
i1
u2 при U1=const.

76. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Проводимость 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
2
или y 22
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).

77. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторов
Электроника
80

78. 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.
Таким образом, вследствие влияния (главным
образом) емкости СК на высоких частотах уменьшаются
коэффициенты усиления α и β.
Электроника
81

79. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Вторая причина — отставание по фазе переменного
тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Iэ
Iб
Iэ
Iб
Iб
Iк
Iк
Iэ
Электроника
Iк
82

80. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Те частоты, на которых α = 0,7α0 и β = 0,7β0, называют
предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ
(соответственно fα и fβ).
Электроника
83

81. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Максимальная 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
84

82. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Улучшение
транзисторов:
частотных
свойств
1. ↓СК
2. ↓τпр
Электроника
85

83. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
(FET – Field Effect Transistor)
Полевые транзисторы: принцип действия, отличие от биполярных,
схемы включения, схемы замещения (физическая и в виде активного
четырехполюсника), основные параметры, преимущества и области
применения.
Устройство и принцип действия полевых транзисторов с
управляющим p-n-переходом. Вольтамперные характеристики в схеме с
общим истоком, основные параметры.
Устройство и принцип действия МДП транзисторов со встроенным
каналом. Вольтамперные характеристики и основные параметры.
Устройство
и
принцип
действия
МДП
транзисторов
с
индуцированным каналом. Вольтамперные характеристики в схеме с
общим истоком и основные параметры.
Устройство и принцип действия полевых транзисторов с барьером
Шоттки. Нормально открытые и нормально закрытые транзисторы.
Вольтамперные характеристики в схеме с общим истоком.
1.
2.
3.
Литература:
Миловзоров, Панков. Электроника. с.32-38.
Жеребцов. Основы электроники. с. 114-123 (в т.ч. рис.7.5).
Щука. Электроника. с. 252-254.
86

84. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы
с управляющим p-n-переходом
Электроника
88

85. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип работы
Электроника
89

86. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (FET – Field Effect Transistor)

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые 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
90

87. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Напряжение отсечки
UОТС= UЗИ ,
при котором IC ≈ 0.
Управляющее действие затвора:
крутизна:
S = ΔIC / ΔUЗИ
при UСИ = const.
Электроника
91

88. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
RВХ - очень большое, т.к. IВХ=IЗ очень мал
(управляющий p-n-переход всегда закрыт).
Ri
RВХ
Ri RВХ
Источник
сигнала
Электроника
92

89. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые 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
93

90. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзистор с встроенным каналом
(обедненного типа)
С
П
З
И
с каналом
n-типа
с каналом
p-типа
Электроника
94

91. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

МДП транзисторы с встроенным каналом
Устройство и принцип работы
Электроника
95

92. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

МДП транзисторы с встроенным каналом
Вольт-амперные характеристики
Электроника
96

93. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзисторы
с индуцированным каналом
(обогащенного типа)
С
П
З
И
с каналом
p-типа
с каналом
n-типа
Электроника
97

94. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

МДП транзисторы с индуцированным каналом
При
UЗИ = 0
канал отсутствует
Если UЗИ > UЗИпор, возникает канал
Электроника
98

95. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

МДП транзисторы с индуцированным каналом
UЗИпор = 0,1…0,2 В
для N-МДП ПТ
и UЗИпор = 2…4 В
для P-МДП ПТ.
Электроника
99

96. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые 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
100

97. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Электроника
101

98. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые 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
2
К
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
102

99. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые 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
103

100. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные 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
104

101. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные лампы
Катоды
Алунд
(изоляция)
Прямого накала
Косвенного накала
Электроника
105

102. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Электроника
106

103. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство 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
107

104. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство 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
108

105. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство 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
109

106. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство и работа электровакуумного диода
Анодная характеристика диода
const
Электроника
iа= f (Uа) при UН =
110

107. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство 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
111

108. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство и работа электровакуумного триода
(Жеребцов Основы электроники с.224-226, 227-234, 249-250
Сетка служит для
электростатического
управления
анодным током.
Электроника
112

109. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство 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
113

110. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Устройство и работа электровакуумного триода
Проницаемость
D = 1/ μ .
Очевидно, что D < 1.
Запирающее ugзап (отрицательное), когда ia = 0 .
Электроника
114

111. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Статические ВАХ электровакуумного триода
Анодно-сеточные (проходные) характеристики iа= f(Ug) при Uа= const.
Электроника
115

112. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Статические ВАХ электровакуумного триода
Анодные (выходные) характеристики iа= f(Uа) при Ug = const.
Электроника
116

113. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Параметры 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
117

114. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные 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)
118

115. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
На экранную сетку подается положительное напряжение
Ug2 = (0,2…0,5)Ua .
Сеточное напряжение, запирающее лампу
Ug1 ≈ – D1Ug2 .
Электроника
119

116. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
Недостаток тетрода – динатронный
эффект («провал» в характеристике).
Электроника
120

117. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные 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.
121

118. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные 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
122

119. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Семейство анодных
характеристик пентода
снимается при Ug2 = const
и Ug3 = const.
Электроника
123

120. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Более подробно:
Устройство, принцип работы, характеристики, достоинства и
недостатки.
И.П.Жеребцов Основы электроники, с.251-260
Электроника
124

121. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Вакуумные 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.
125

122. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электровакуумные 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
126

123. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электровакуумные 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
127