Общие сведения о транзисторах
Виды электрических разрядов в газах
Различают самостоятельные и несамостоятельные разряды в газе. Самостоятельный разрядподдерживается за счет действия только электрического напряжения.
Несамостоятельный разрядможет существовать при условии, что, помимо электрического напряжения, действуют еще какие-либо внешние ионизирующие факторы. Ими могут быть лучи света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и др. Рассмотрим основные виды электрических разрядов, встречающиеся в ионных приборах.
Темный (или тихий) разряд является несамостоятельным. Он характеризуется плотностями тока порядка микроампер на квадратный сантиметр и весьма малой плотностью объемных зарядов. Поле, созданное приложенным напряжением, при темном разряде практически не изменяется за счет объемных зарядов, т. е. их влиянием можно пренебречь. Свечение газа отсутствует. В ионных приборах для радиоэлектроники темный разряд не используется, но он предшествует началу других видов разряда.
Тлеющий разряд относится к самостоятельным. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего тела. Плотность тока при этом разряде достигает единиц и десятков миллиампер на квадратный сантиметр и получаются объемные заряды, существенно влияющие на электрическое поле между электродами. Напряжение, необходимое для тлеющего разряда, составляет десятки или сотни вольт. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов.
|
|
|
Основными приборами тлеющего разряда являются стабилитроны – ионные стабилизаторы напряжения, газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, цифровые индикаторные лампы и декатроны – ионные счетные приборы.
Дуговой разряд получается при плотностях тока, значительно больших, чем в тлеющем разряде. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом; в ртутных вентилях (экзитронах) и игнитронах, имеющих жидкий ртутный катод, а также в газовых разрядниках происходит самостоятельный дуговой разряд.
Дуговой разряд может быть не только при пониженном, но и при нормальном или повышенном атмосферном давлении.
Искровой разряд имеет сходство с дуговым. Он представляет собой кратковременный (импульсный) электрический разряд при сравнительно высоком давлении газа, например при нормальном атмосферном. Обычно в искре наблюдается ряд импульсных разрядов, следующих друг за другом.
Высокочастотные разряды могут возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токоподводящих электродов (безэлектродный разряд).
|
|
|
Коронный разряд является самостоятельным и используется в ионных приборах для стабилизации напряжения. Он наблюдается при сравнительно больших давлениях газа в случаях, когда хотя бы один из электродов имеет очень малый радиус кривизны. Тогда поле между электродами получается неоднородным и около заостренного электрода, называемого коро-нирующим, напряженность поля резко увеличена. Коронный разряд возникает при напряжении порядка сотен или тысяч вольт и характеризуется малыми токами.
Закон кулона. Электрическое поле
Два наэлектризованных тела действуют одно на другое с силой, пропорциональной величине заряда или количеству электричества на этих телах и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами, если собственные размеры этих тел малы по сравнению с расстоянием между ними.
Эта зависимость силы взаимодействия от величины зарядов и расстояния межу ними была установлена опытным путем физиком Кулоном.Позднейшие исследования показали, что сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды, в которой находятся заряды.
Опыты привели Кулона к установлению следующего закона: два физических точечных заряда q1 и q2, находясь в однородной среде с относительной электрической проницаемостью е на расстоянии r,действует один на другой с силой F, пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. физически точечными заряды называются в том случае, если собственные размеры их малы по сравнению с расстоянием между ними. формула Кулона имеет вид: F =(q1q2)/(4??·?0r 2), где ?0=8,85 · 10–12Ф/м – электрическая проницаемость пустоты. ? – относительная электрическая проницаемость. Она показывает, во сколько раз при прочих равных условиях сила взаимодействия двух зарядов в какой-либо среде меньше, чем в пустоте. Относительная электрическая проницаемость – безразмерная величина.
|
|
|
Оценка интенсивности электрического поля производится по механическим силам, с которыми поле действует на заряженные тела. Так как по закону Кулона сила взаимодействия между зарядами в данной среде зависит от величины зарядов и расстояния между ними, то за количественную меру поля принимают механическую силу, с которой поле в данный момент пространства действует на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Эта величина называется напряженностью электрического поля и обозначается Е. Согласно определению Е=F/q. Приравнивая единице один из зарядов в формуле Кулона, получим выражение для напряженности поля Е в точке, удаленной на расстоянии rот физического точечного заряда: Е =q/(4???0r2), а для пустоты, у которой относительная электрическая проницаемость равна единице: Е =q/(4??0r 2).
|
|
|
Единица измерения напряженности – В/м.
Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и по направлению, называется однородным полем.
При изучении различных физических явлений приходится встречаться со скалярными и векторными величинами.
Положительный электрический заряд, внесенный в поле положительно заряженного тела шарообразной формы, удаленного от других зарядов, будет отталкиваться по прямой линии, являющейся продолжением радиуса заряженного тела. Помещая электрический заряд в различные точки поля заряженного шара и отмечая траектории движения заряда под действием его электрических сил, получаем ряд радикальных прямых, расходящихся во все стороны. Эти воображаемые линии, по которым стремится двигаться положительный, лишенный инерции заряд, внесенный в электрическое поле, называются электрическими силовыми линиями. В электрическом поле можно провести любое число силовых линий. С помощью графических линий можно графически изобразить не только направление, но и напряженности электрического поля в данной точке.
Количество электричества, приходящееся на единицу поверхности заряженного тела, называется поверхностной плотностью электрического заряда. Она зависит от количества электричества на теле, а также от формы поверхности проводника.
Колебательный контур
Рассмотрим случай получения переменного тока посредством разряда конденсатора на катушку.
Заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии. При замыкании на катушку он начнет разряжаться и запас электрической энергии в нем будет уменьшаться.
Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, создает магнитное поле. Следовательно, катушка начнет запасать магнитную энергию. Когда конденсатор полностью разрядится, его электрическая энергия станет равной нулю. В этот момент катушка будет обладать максимальным запасом магнитной энергии. Теперь сама катушка становится генератором электрического тока и начнет перезаряжать конденсатор. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке в период нарастания магнитного поля, препятствовала нарастанию тока. Теперь же, когда магнитное поле катушки будет уменьшаться, ЭДС самоиндукции стремится поддерживать ток в прежнем направлении. В момент, когда магнитная энергия катушки станет равной нулю, обкладки конденсатора окажутся заряженными противоположно тому, как они были заряжены вначале, и если сопротивление цепи равно нулю, то конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор вновь начнет разряжаться, создавая в цепи ток обратного направления, и процесс будет повторяться.
Попеременные превращения электрической энергии в магнитную и обратно составляют основу процесса электромагнитных колебаний. Цепь, состоящая из емкости и индуктивности, в которой происходит процесс электромагнитных колебаний, называется колебательным контуром.
Периодические колебания энергии, происходящие в колебательном контуре, могли бы продолжаться бесконечно долго в виде незатухающих колебаний, если бы отсутствовали потери в самом колебательном контуре. Однако наличие активного сопротивления приводит к тому, что запас энергии контура с каждым периодом уменьшается за счет потерь на тепло в активном сопротивлении, в результате чего колебания затухают.
Период электромагнитных колебаний, происходящих в колебательном контуре без сопротивления, определяется формулой Томсона.
Изменить время периода колебаний контура можно двумя способами – изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Тот и другой способы используются для этой цели в радиотехнике.
Колебательный контур является необходимой принадлежностью каждого радиоприемника и радиопередатчика.
Принцип радиопередачи заключается в следующем. В антенне передающей радиостанции при помощи ламповых генераторов создаются электромагнитные колебания. Амплитуда колебаний зависит от ряда факторов и в том числе от величины тока, протекающего в цепи микрофона, принимающего звуковые колебания, обусловленные речью или музыкой.
Изменения колебаний высокой частоты с помощью звуковых колебаний называются модуляцией.
Радиосвязь впервые была осуществлена выдающимся русским ученым А.С. Поповым(1859–1905).
Общие сведения о транзисторах
В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы.
Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. Транзисторы могут иметь разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя
р-п-переходами. Эти транзисторы называют биполярными,так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостныетранзисторы.
Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером,
другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода – эмиттерный между эмиттером и базой и коллекторный между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрон, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является важнейшим условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, обычно концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. С помощью металлических электродов от базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. (
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получается в случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. В частности, он используется в большинстве усилителей и генераторов.
В практических схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную цепь включают нагрузку.
Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются их статическими характеристиками, т. е. характеристиками, снятыми на постоянном токе и при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому они аналогичны характеристике обратного тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.
Существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают, как изменяется напряжение на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при условии, что входной ток постоянен.
Основные типы транзисторов
Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготовления, применяемым материалам, особенностям работы, назначению, мощности, диапазону рабочих частот и по другим признакам.
Точечные транзисторы, исторически бывшие первыми, теперь не применяются. Рассмотрим плоскостные транзисторы.В качестве полупроводников для транзисторов, выпускаемых промышленностью, применяются германий и кремний. По предельной мощности, выделяемой в коллекторном переходе, различают транзисторы малой, средней и большой мощности. В зависимости от предельной рабочей частоты транзисторы бывают низкочастотные (до 3 МГц), средней частоты (от 3 до 30 МГц) и высокочастотные (выше 30 МГц).
У подавляющего большинства транзисторов основным физическим процессом является инжекция носителей, но имеется группа транзисторов, работающих без инжекции. К ним, в частности, относятсяполевые (канальные) транзисторы.Транзисторы с инжекцией могут иметь различное число p-n-пере-ходов.
Исключительно широкое распространение получили биполярные транзисторы, имеющие два p-n-пере-хода. Различают два вида таких транзисторов: дрейфовые, в которых перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется главным образом посредством дрейфа, т. е. под действием ускоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такой перенос осуществляется главным образом посредством диффузии.
Бездрейфовые транзисторы имеют во всем объеме базы одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля и но– сители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот, нежели дрейфовые.
В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору. Поэтому повышаются предельная частота и коэффициент усиления по току. Чаще всего электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей в объеме базы, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления p-n-переходов. Транзисторы, изготовленные таким методом, называют диффузионными.
Бездрейфовые транзисторыв большинстве имеют сплавные переходы, полученные по такой технологии, как у диодов. Эти транзисторы принято называть сплавными. В основную пластинку полупроводника с двух сторон вплавляются примеси, образующие эмиттерную и коллекторную области. Так как на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, то он обычно имеет значительно большие размеры, чем эмиттерный переход. Однако могут быть изготовлены и симметричные сплавные транзисторы, у которых оба перехода одинаковы.
Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Под действием ускоряющего поля носители гораздо быстрее движутся в базе. При изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным и тогда его емкость гораздо меньше, чем у сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления б и в значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Метод диффузии позволяет изготавливать транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 485; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!