Лекция 11 Полупроводниковые резисторы, диоды, транзисторы

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковые резисторы − п/п приборы с двумя выводами, у которых R зависит от U, t° C, освещённости, деформации и др.

1. Линейный резистор − R = сonst, применяется в ИМС (слабо легированный кремний или арсенид галлия).

2. Варистор, R(U) изготавливается из карбида кремния, смешанного с глиной.

ВАХ варистора

К оэффициент нелинейности λ = R/Rg = (U/I)/(dU/dI) » const для различных типов. Применяют для защиты электрических цепей от перенапряжений.

3. Терморезистор

Характеристики термистора

1 − термистор, его R уменьшается с ростом tº

2 − позистор, его R увеличивается с ростом tº

Основной параметр − температурный коэффициент сопротивления: α = dRt*100/(dT·R) это процентное изменение R при изменении Т на 1градус.

Для термистора α = − 0,3 ÷ 0,66.

Терморезисторы применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации.

4. Фоторезистор

Сопротивление R зависит от освещенности. На подложку из керамики или стекла наносится пленка фотоактивного материала.

Используется внутренний фотоэффект. При освещенности происходит возбуждение электронов, переход их на более высокий энергетический уровень, изменяется концентрация свободных электронов.

Схема включения фоторезистора

а) б)

Характеристики фоторезистора

При Ф = 0 Iф₀ − темновой ток. При наличии освещения Iф возрастает. Разность токов называется световым током или фототоком.

S = Iф/Ф − чувствительность; темновое сопротивление R_T = 10² − 10⁹ Ом. U_раб = 100 В.

5 . Тензорезистор , R зависит от деформации рабочего тела. Основная характеристика – деформационная характеристика – зависимость ∆R/R = f(∆l/l), где l − длина рабочего тела.

Характер истики тензорезистора

Основные параметры R_ном = 100 − 500 Ом; К = ∆R/R : ∆l/l (−150 ÷ + 150) − коэффициент тензочувствительности. Применяют для измерения деформации твердых тел.

Полупроводниковые диоды.

П/п диодом называют прибор с одним P-N-переходом и двумя выводами.

Полупроводниковые приборы разделяют на 1) точечные; 2) плоскостные.

По способу внесения примесей: 1) сплавные; 2) диффузионные.

Типы диодов:

1. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных токов.

ВАХ диода

Основные параметры: I_пр.max ; U_пр = (0,5 − 1,5)B;

U_{обр. max} ; I_обр; P_pac.max; C_меж.эл; f_пред.

Обозначения: Г − германий, К − кремний, А − арсенид галлия.

2. Кремниевые стабилитроны − для стабилизации напряжения. Исполь­зуется работа при обратной полярности.

ВАХ стабилитрона

Основные параметры: U_ст; I_ст.min; I_ст.max. .

− температурный коэффициент напряжения стабилизации (−0,05 ÷ +0,02)% С.

3. Туннельные диоды, в которых используется туннельный эффект (при эл. пробое происходит тоннелирование электронов из зоны P-слоя в зону N-слоя).

ВАХ туннельного диода

На ВАХ есть участок с отрицательным Rд.

Основные характеристики I_п, I_п/I_в. Применяются в генераторах ВЧ колебаний, в импульсных переключателях.

4. Обращенные диоды − разновидность туннельных диодов. Они обладают вентильными свойствами там, где выпрямительные диоды не обладают. I_п − ток пика. При I_обр име­ют наибольшую проводимость.

ВАХ обращенного диода

5. Варикапы − полупроводниковые диоды, у которых ёмкость С с увеличением U_обр уменьшается, т.е. это элемент с управляемой емкостью.

Основные параметры: 1) общая емкость С_в при U = 2−5 В.

2) К_с = С_max/С_min = (5÷20) − коэффициент перекрытия по емкости. Приме­няется в параметрических усилителях, при дистанционном управлении, в системах автоматической подстройки частоты.

Характеристика варикапа

6 . Светодиоды, в которых P-N-переход излучает свечение. Этим свойством обладают п/п на основе карбида кремния, арсенида и фосфида галлия. При прохождении через P-N-переход I_пр основные носители заряда инжектируют в соседние слои и рекомбинируют в граничных областях. При рекомбинации выделяется квант эл.-магн. энергии (фотон) количество излучаемого света зависит от I_пр. Применяются для контроля работоспособности элект­ронных цепей, индикации (цифровые, буквенные индикаторы).

7. Фотодиоды − используют внутренний фотоэффект.

М ожет работать в режиме фотогенера­тора, когда внешний источник ЭДС отсут­ствует и при освещении поверхности появляется фото-ЭДС, или в режиме фотопреобразователя, когда U_внеш подано в запирающем направлении;(участок оа) – фото-ЭДС; (участок об) – фотодиода; на участке аб – работа в режиме фотогенератора; на участке бв – работа в режиме фотопреобразователя.

Схема включения и ВАХ фотодиода

Солнечные фотоэлементы (батареи) на космических кораблях имеют η > 20%. Мощность солнечной батареи 200 вт/кг массы, 1кВт/м² поверхности.

Чувствительность интегральная S_I = I_ф/Ф (для германиевых S_I < 20 mA/лм).

8) Оптроны − в одном корпусе содержат источник излучения (светодиод) и приемник излучения (фоторезистор, фотодиод и т.д.).

фоторезисторный оптрон фотодиодный оптрон

Схемы включения оптронов

Оптроны – быстродействующие реле, элементы связи в электронных цепях, информация передается оптически.

9. Магнитодиод − ВАХ изменяется под воздействием магнитного поля.

10. Тензодиод − ВАХ изменяется под воздействием механических дефор­маций.

11. Высокочастотныей диоды.

12. Импульсные диоды.

ЛЕКЦИЯ 12

Транзисторы.

Биполярные транзисторы.

Транзистор − это п/п прибор, имеющий 2 электронно-дырочных пере­хода, образованных слоями N-P или P-N-типа. Имеет 3 или бо­лее выводов. Изготавливают на базе германия или кремния. Термин «биполярный» обусловлен наличием 2-х типов носителей зарядов: электронов и дырок.

В зависимости от чередования областей различают транзисторы N-P-N и P-N-P-типа.

Структура биполярного транзистора

Центральный слой − называется базой (Б).

Наружный слой, являющийся источником зарядов − эмиттер (Э), принимающий заряды − коллектор (К). Источник питания Э-Б U_вх включают в прямом направлении (переход Э-Б имеет малое сопротив­ление). На переход коллектор-база источник энергии U_вх включают в обратном направлении.

Под действием Е_э электроны из эмиттера преодолевают N-P-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с дырками (рекомбинация − восстановление и воссоединение электрона и дырки), образуя ток базы I_б Обычно концентрация дырок в базе низкая и не все электроны рекомбинируют, большинство электронов вследствие диффузии и поля Е_к преодолевают коллекторный P-N-переход, и в цепи Б-К образуется ток коллектора - Iк₀

Когда I_ЭБ = 0, будет небольшой ток через коллекторный переход I_ко. Он обусловлен движением неосновных носителей заряда: электронов из базы в коллектор, дырок из коллектора в базу. Коллектор предназначен для экстракции (изъятия) неосновных но­сителей заряда из базы.

a = ΔI_к/ ΔI_э при U_кб = сonst

где a – коэффициент передачи тока.

a = 0,9 − 0,995(I_б − мал, I_к ≈ I_э, область n − тонкая, дырок мало и − I_б − мало)./

Транзисторы p-n-р-типа, работают аналогично, отличаются про­тивоположными направлениями E_э, E_к, I_б, I_э, I_к.

Схема транзистора с ОБ

Рассмотренная схема - схема с ОБ. Применяется редко, так как мал a и мало дифференциальное входное сопротивление R_вх:

R_вх = ΔU_вх/ ΔI_вх = ΔU_бэ/ ΔI_бэ

Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) − это основная схема.

Схема транзистора с ОЭ

Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей,

I_э = I_б + I_к

Коэффициент усиления по току с ОЭ

= Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const

Так как

Δ I_б = Δ I_э – Δ I_к,

то если a = 0,995, то K_i = = Δ I_к / (Δ I_э – Δ I_к) делим числитель и знаменатель дроби на ∆I_э и получим, что

.

Достоинства: малый ток I_Б, большой β, коэффициент усиления по мощности достигает нескольких тысяч.

Схема с общим коллектором (ОК) (эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе примерно равно входному по величине и фазе) представлена на рисунке.

Схема транзисторов с ОК:

Где I_Б – входной ток; I_Э – выходной ток, DІ_Э = DІ_Б – DІ_К

Коэффициент усиления по току

K _I = Δ I_э/ Δ I_б = (Δ I_б + Δ I_к)/ Δ I_б

Выходная характеристика транзистора

Используется для построения специальных каскадов, имеет большие R_вх и малое R_вых.

Основные характеристики и параметры транзисторов с ОЭ :

I_к(U_кэ) при I_б = const – выходные характеристики;

I_б(U_бэ) при U_кэ = const – входная характеристика ;

I_к(U_бэ) при U_кэ = const – передаточная характеристика.

а б

Входная и передаточная характеристики: а - входная; б - передаточная

Параметры:

1) дифференциальное выходное сопротивление (определяется по выходной характеристике)

Δ U_кэ /Δ I_к при I_Б = const;

2) дифференциальное входное сопротивление (определяется по входной характеристике)

R_вх = Δ U_бэ/Δ I_б при U_бэ = const;

3) крутизна

S = Δ I_к/Δ U_бэ п= Δ U_бэ при U_кэ = const;

4) статический коэффициент усиления μ = SR_вых ≈ SR_к.

Для расчета и анализа цепей с биполярными транзисторами используются h-параметры. Считают I_б и U_кэ независимыми переменными, a U_бЭ и I_к − зависимыми, т. е,

U_бэ = F₁(I_б,V_кэ),

I_к = F₂(I_б, U_кэ),

Обычно h-параметры определяют по характеристикам:

h₁₁ = Δ U_бэ/ Δ I_б при U_кэ = const (∆U_кэ = 0) – R_вх, Ом;

Безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению:

h₁₂ = Δ U_бэ/ Δ U_кэ при I_б = const.

(h₁₂ = 0,002−0,0002 – мало, можно пренебречь).

Коэффициент передачи по току, безразмерный:

h₂₁ = Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const.

Выходная проводимость

h₂₂ = Δ I_к/ Δ U_кэ при I_б = const.

Схема замещения (h₁₂ = 0).

Существуют следующие ограничения:

P_к = I_к · U_кэ ≤ P_к.max − для предотвращения перегрева коллектора;

U_кэ ≤ U_кэ.mах − во избежание пробоя коллекторного перехода, I_к ≤ ≤ I_к.mах − во избежание перегрева эмиттерного перехода. Для повышения P_к.mах делают транзисторные сборки на I_к до 500 А.

Схема замещения транзистора

Биполярные транзисторы широко применяются в усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.