Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с р-п переходом и двумя выводами, в котором используется свойство односторонней проводимости перехода. Стабилитрон также состоит из одного р-п перехода, и нормально эксплуатируется при обратном напряжении.
Выпрямительный полупроводниковый диод предназначен для выпрямления переменного тока. Основные электрические свойства полупроводникового диода выражаются вольтамперной характеристикой I = f(u), показывающей зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения. Характеристика имеет две ветви, соответствующие проводящему состоянию диода при прямом напряжении Unp и непроводящему состоянию при обратном напряжении Uобр. (6.3. б).
Рис.6.3. Вольт-амперные характеристики: р-п перехода (а) выпрямительного диода (б), стабилитрона (в)
При подаче на диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда через р-п переход. В случае приложения большого обратного напряжения может произойти лавинный пробой р-п перехода, что вызывает разогрев диода, рост тока и тепловой пробой, ведущий к разрушению диода. Основными параметрами выпрямительного диода являются: прямое напряжение Unp максимально допустимый прямой ток Inр.mах, максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах обратный ток Ioбр.
Стабилитрон - полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, обратная ветвь вольт-амперной характеристики имеет участок со слабой зависимостью напряжения от величины тока (рис. 6.3в). Прямая ветвь волътамперной характеристики стабилитрона имеет обычную форму. При обратном напряжении, равном Ucm, развивается лавинный пробой р-п-перехода - в переходе происходит размножение зарядов по типу цепной реакции. Цепной процесс увеличения зарядов, и, следовательно, тока i через р-n-переход чрезвычайно чувствителен к изменению напряжения U: при изменении Ucm на десятые доли процента ток i изменяется в десятки раз от Imin до Imах. Практически в указанном интервале изменение тока i напряжение Uст постоянно. Лавинный пробой в стабилитроне не разрушает его, поэтому такой пробой называется электрическим. Основное применение стабилитрон находит в стабилизаторах напряжения.
|
|
Простейший однополупериодный выпрямитель
Простейший однополупериодный выпрямитель (рис. 6.4) состоит из последовательно включенных источника напряжения, диода и активного сопротивления. Переменное синусоидальное напряжение U2. подают на диод Д. За счет односторонней проводимости диодов ток i протекает только в положительные периоды напряжения U2, и, следовательно имеет импульсную форму. Постоянная составляющая этого тока Io определяется средним значением тока i, протекающего через нагрузку RH за полупериод.
|
|
Рис. 6.4. Схема однополупериодного выпрямителя (а) Кривые тока и напряжения (б)
При отрицательной полярности диод закрыт и ток не проходит. Среднее значение выпрямленного тока Io (постоянная составляющая пульсирующего тока) (рис. 6.4б)
Io = Im/p = 0,32 Im, a Uo = 0,32 U2m среднее значение выпрямленного напряжения.
Важнейшим параметром, характеризующим работу выпрямителя является коэффициент пульсации, где кп = Uoг.м/Uo, Uoг.м - амплитуда основной гармонической составляющей, Uо - среднее значение выпрямленного напряжения.
Для однополупериодной схемы выпрямления кп = 1,57. Кп для данной схемы велик, что является главным недостатком схемы.
Тиристор
Тиристор - полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п переходами, используемый для переключения. Два крайних слоя p1 и п2 -эмиттеры: п2 - катод; p1 - анод. Два средних слоя (n1 и р2) -базы. Электрод, которому приложено напряжение управления, называется управляющим, (рис. 6.5а). Питающие напряжение подается на тиристор так, что переходы П1 и П3 будут открытыми, а П2 - закрытый. Сопротивление П1 и П3 - мало, а П2 - велико, поэтому почти все питающее напряжение оказывается приложенным к переходу П2. Ток тиристора мал. При повышении Unp (при увеличении ЭДС источника питания Е) ток тиристора мало увеличивается.
|
|
Рис. 6.5. Структура тиристора (а).
Вольт-амперная характеристика тиристора (б)
При достижении Unp = Uвкл происходит лавинное увеличение носителей заряда в переходе П2 за счет дырок и электронов, прибывших из слоев n2 и p1 в базы п1 и р2. Ток в тиристоре возрастает. Происходит пробой промежутка перехода П2. После пробоя напряжение снижается до Unp = 0,5 ¸IB. При дальнейшем увеличении ЭДС Е, ток нарастает в соответствии с вертикальным участком характеристики. Напряжение Uвкл, при котором происходит лавинообразное нарастание тока, снижают за счет введения неосновных носителей в слой р2. С увеличением управляющего тока Iу увеличивается число добавочных носителей заряда, напряжения пробоя уменьшается (рис. 6.5 б).
Поэтому важным параметром тиристора является отпирающий ток управления Iу - ток управляющего электрода, обеспечивающий переключение тиристора в открытое состояние.
При изменении полярности напряжения Е на обратную переходы П1 и П3, смещены в обратном направлении, и вольт-амперная характеристика не отличается от обратной ветви характеристики диода. Тиристоры, как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли применение в управляемых выпрямителях.
|
|
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру из чередующихся полупроводников р – и п - типа (рис. 6.6)
Рис. 6.6 Устройство, обозначение биполярных транзисторов р-п-р (а) и п-р-п (б) типов и полярности напряжения на коллекторе относительно эмиттера
Слои и присоединенные к ним выводы имеют названия: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). В транзисторе создается два р-п- перехода (рис.6.6): база-эмиттер ПБЭ и база-коллектор ПБК. В режиме усиления к эмиттерному переходу ПБЭ. прикладывается прямое напряжение UБЭ, а к коллекторному переходу ПБК - обратное напряжение UKБ.
Рис. 6.7 Движение зарядов в транзисторе р-п-р- типа.
Рассмотрим принцип действия на примере р-п-р- транзистора (рис.6.7) Через открытий эмиттерный переход ПБЭ источником UБЭ создается прямой ток Iу образуемый инжекцией (движением) как дырок 1¸5, так и электронов 6. Дырки 1¸5, пройдя открытый переход ПБЭ, попадают в область базы, где их дальнейшее движение осуществляется по двум направлениям. Первое направление образуют дырки типа 5, которые встречаются в базе с электронами 6 и, рекомбинируя с ними, образуют нейтральные атомы 7. Так как в рекомбинации участвуют электроны 6, поступающие на базу от источника UБЭ, то за счет рекомбинации создается ток базы IБ. Второе направление образуют непрорекомбинировавшие дырки 1¸4, которые достигают границы коллекторного перехода ПБK и, подхваченные ускоряющим полем ЕБК этого перехода, проходят в коллектор и образуют эмиттерную составляющую aIЭ тока коллектора IK. Причем эта составляющая меньше тока эмиттера (a < 1) на величину тока базы 1Б. Так как рекомбинация дырок в базе, осуществимая в результате встречи их с электронами базы маловероятна из-за малой толщины базы и малой концентрации электронов в ней, то подавляющая часть дырок достигает коллектора. Значит эмиттерная составляющая тока коллектора практически равна прямому току эмиттерного перехода. Кроме тока aIЭ через коллекторный переход течет обратный ток Iк.обp, вызванный в нем источником UКБ, который включен к переходу в обратном направлении. Так как обратный ток на 3-5 порядка меньше прямого тока, то в режиме инжекции ток коллектора IK практически равен aIЭ. А при отсутствии инжекции, когда IБ = 0, ток коллектора IK уменьшается в 103 ¸ 105 раз и становится равным току Iк.обp- Причем, так как указанное изменение тока коллектора IK происходит при одном и том же напряжении на коллекторе UKБ, то это эквивалентно изменению сопротивления коллекторного перехода в103 ¸ 105 раз.
Из приведенного описания видно, что назначение базы состоит в том что база вызывает из эмиттера на себя поток .зарядов, которые с приобретенной при этом скоростью проходят через базу, как через сито и достигают коллектора. Причем, так как ток базы IБ мал. то, очевидно, и мощность источника UБЭ, используемая для управления токами IБ, IЭ и IK, также мала. Таким образом, биполярный транзистор управляется током, подводимым к базе. Основными параметрами транзистора являются коэффициента передачи тока эмиттера a и базы b:
(6.1)
Коэффициент b называют коэффициентом усиления транзистора по току. Характерные значения напряжений UБЭ и UK для биполярных транзисторов составляют UБЭ ≤ 0,3 ¸ 0,7 В и UK = 3 ¸ 500 В.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор представляет собой двухслойную структуру (рис. 6.8), конструктивно выполненную в виде центрального полупроводника - канала - одной проводимости, окруженного полностью или частично полупроводником другой проводимости (затвора). Особенностью полевого транзистора является то, что концентрация примесей в затворе намного превышает концентрацию примесей в канале. Три вывода транзистора имеют названия: исток (И), сток (С) и затвор (З).
Принцип действия полевого транзистора основан на изменении площади поперечного сечения канала и, следовательно, сопротивления канала под действием поперечного электрического поля Е3, создаваемого приложенным к затвору напряжением (рис.6.9). Рассмотрим физические процессы, приводящие к сужению канала под действием приложенных напряжений ЕЗИ и ЕСИ. Если к транзистору приложено только напряжение ЕЗИ (рис.6.9 а), которое для р-п- перехода затвор - канал является обратным, то под действием поперечного поля ЕЗ расширяется запирающий слой.
Рис. 6.8 Устройство и обозначение полевого транзистора с затвором в виде р-п- перехода с каналом п-типа (а) и р-типа (б) и полярности напряжения на затворе и стоке относительно истока
Так как концентрация примесей в канале меньше, чем в затворе, то расширение запирающего слоя происходит практически за счет канала, причем одинаково по всей длине канала. При некотором напряжении UЗИ, называемом напряжением отсечки UOTC. канал полностью перекрывается.
Рис. 6.9 Изменение сечения канала p-типа при действии
напряжений UЗИ -.(a), UСИ (б) и одновременно UЗИ и UСИ (в); запирающий слой обозначен точками.
Таким образом, полевой транзистор - это прибор, в котором входным управляющим сигналом является напряжение затвора UЗИ, выходным сопротивление канала или ток стока I. Так как UЗИ является для р-п- перехода затвор-канал является обратным, то ток затвора ничтожно мал и на 5 ¸ 6 порядков меньше тока базы биполярного транзистора и составляет 0,01 ¸ 0,0001 мкА. Сопоставляя биполярный (БТ) и полевой (ПТ) транзисторы отметим два принципиальных отличия:
1) БТ управляется током (базы), а ПТ- напряжением (затвор);
2) при увеличении входного сигнала выходной сигнал ток у БТ
возрастает, у ПТ уменьшается.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1080; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!