Схема включения с общей базой
Вопросы к экзамену по дисциплине «Электротехника, основы электроники и электрооборудование химических производств»
1. Cобственная и примесная электропроводность полупроводников.
Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники - собственными полупроводниками, В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково. Под действием приложенного к полупроводнику напряжения скорость направленного движения свободных электронов в нем больше, чем дырок. Поэтому сила тока электронной проводимостью Iэ больше силы тока дырочной проводимостью Iд. Общий ток в полупроводнике I = Iэ + Iд.
Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.
На проводимость полупроводников сильно влияет наличие в них примесей. При введении в полупроводник некоторых примесей можно получить сравнительно большое количество свободных электронов при малом числе "дырок" или, наоборот, большое количество "дырок" при очень малом числе свободных электронов. Проводимость проводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками. Примеси, легко отдающие свои электроны основному полупроводнику и, следовательно, увеличивающие в нем число свободных электронов, называются донорными (отдающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют большее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию донорными являются примеси мышьяка, сурьмы.
|
|
|
Рис. 102. Электронная и дырочная примеси
Для получения в германии примеси мышьяка их смешивают и расплавляют. Германий - четырехвалентный элемент. Мышьяк - пятивалентный. При затвердевании в узле кристаллической решетки германия происходит замещение атома германия атомом мышьяка. Электроны последнего образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия (рис. 102, а). Оставшийся пятый валентный электрон мышьяка, не участвующий в парноэлектронных связях, продолжает двигаться вокруг атома мышьяка. Вследствие того что диэлектрическая проницаемость германия ε = 16, сила притяжения электрона к ядру уменьшается, размеры орбиты электрона увеличиваются в 16 раз; энергия связи его с атомом уменьшается в 256 раз (т. е. в ε2 раз), и энергии теплового движения становится достаточно для отрыва от атома этого электрона. Он начинает свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости.
|
|
|
Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.
Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.
Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника. Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е. дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить. А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.
|
|
|
Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.
Для получения в германии примеси индия их смешивают и расплавляют. Германий - четырехвалентный элемент. Индий - трехвалентный. Для образования ковалентных связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома индия не хватает одного электрона. Индий его заимствует у атома германия (рис. 102, б). Для этого электронам атомов германия нагреванием сообщается энергия, достаточная только для разрыва ковалентной связи, после чего освободившиеся электроны захватываются атомами индия. Будучи не свободными, эти электроны не участвуют в образовании тока. Атомы индия становятся отрицательными ионами, они прочно связаны с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимают.
|
|
|
На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.
Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводника обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной примеси. Эти носители заряда в примесном полупроводнике являются основными. Кроме них в таком полупроводнике содержатся неосновные носители: в электронном полупроводнике - дырки, в дырочном полупроводнике - электроны. Концентрация их значительно меньше концентрации основных носителей.
1. Полупроводниковые диоды: устройство, работа. Характеристика и параметры. Применение.
Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.
Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:
Фото — обозначение диода
Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.
Принцип работы
Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.
Фото — принцип работы
Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.
Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.
Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:
1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.
Если все параметры соответствуют, то получается такой график:
Фото — ВАХ идеального диода
Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.
На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:
Фото — ВАХ в реальном полупроводниковом диоде
Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.
Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.
Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.
· · Полупроводниковые лазеры.
Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.
· · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т.д.
· · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.
· · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
· · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.
· · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.
• Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.
2. Биполярные транзисторы. Типы, схемы включения, режимы работы. Характеристики, параметры.
Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn(обратные) и pnp(прямые) транзисторы.
Наиболее широко используют транзисторы с двумя p-n-переходами. Они состоят из чередующихся слоев полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности слоев полупроводника различают транзисторы р-п-р-типа (прямой проводимости) и п-р-п-типа (обратной проводимости).
Различают четыре режима работы биполярного транзистора:
1) активный режим– открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторный переход (рис. 1.16);
2) режим отсечки– оба р-n-перехода закрыты, и существенного тока через транзистор нет.
Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника ЕЭ на противоположную;
3) режим насыщения– два р-n-перехода транзистора открыты и через них протекают прямые токи. Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника ЕК на противоположную;
4) инверсный режим – открыт коллекторный переход и закрыт эмиттерный переход. Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить на противоположные полярности источников ЕК и ЕЭ.
Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.
| Рис.7. Схема включения транзистора с ОЭ. |
Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.
Рис.8. Схема
измерений статических
параметров транзистора с ОЭ.
Входная статическая характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при постоянном выходном напряжении UКЭ. Для схемы с общим эмиттером:
IБ = f (UБЭ) при UЭК = const.
Поскольку ветви входной статической характеристики для UКЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).
Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока IК от выходного напряжения UКЭ при постоянном входном токе IБ. Для схемы включения с общим эмиттером:
IК = f (UКЭ) при IБ = const.
Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера IЭ.
Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор RК, за счёт которого изменение входного тока или напряжения UВХ будет вызывать изменение выходного напряжения UВЫХ = UКЭ (Рис.10).
- 9 –
Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.
Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭпри наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:
IБ = f (UБЭ)
Поскольку в статическом режиме для UКЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а).
Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.
Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения UКЭ от выходного тока IК при фиксированных значениях входного тока IБ (Рис.11б):
UКЭ = EК – IКRК
Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А, В на Рис.11б.
Координаты точки А [UКЭ = 0; IK = ЕК ⁄RК ] – на оси IK.
Координаты точки В [IK = 0; UКЭ = ЕК ] – на оси UКЭ.
Координаты точки Р [U0К; I0K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).
- 10 -
|
Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.
Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.
В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).
Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току IК0, а напряжение UКЭ = EК.
Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.
IБ = max; IК ≈ IКН; UКЭ = EК – IКН RН; UКЭ → 0.
Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: IК доп, UКЭ доп, PК доп (Рис.11б) и IБ нас, UБЭ доп (Рис.11а) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.
Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
· Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
· Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой
Схема включения с общей базой.
Основная статья: Усилительный каскад с общей базой
· Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
· Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
· Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
· Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
· Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
· Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
· Малое входное сопротивление
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 372; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!