1 2..Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода. Классификация полупроводниковых приборов. Полупроводниковые диоды и их вольт-амперные характеристики.

П олупроводниками в физике принято называть материалы с удельным сопротивлением ρ = 10³ – 10⁹ Ом⋅см. Полупроводники имеют собственную электропро-водность, которая называется примесной при внесении примеси. Образование электронно- дырочного перехода вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом электро-проводности, обусловлено следующими явлениями. Диффузия основных носителей p- и n-областей в противоположную область приводит к возникновению вблизи границы объемных электри-ческих зарядов – положительного в n-области и отрицательного в p-области. Эти заряды обусловлены появлением неском-пенсированных ионизированных атомов донорной примеси (положительные неподвижные заряды) в n-области и нескомпенсированных ионизированных атомов акцепторной примеси (отрицательные непод-вижные заряды) в p-области. Между нескомпенсиро-ванными зарядами в n- и p-областях возникает электрическое поле напряженностью E, называемое внутренним, и контактная разность потенциалов. Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через переход, при этом возникает потенциальный энергетический барьер для основных носителей. Вектор напряжен-ности внутреннего электрического поля в p-n-переходе направлен от n-области к p-области. Поэтому возникшее электрическое поле вызывает дрейфовый перенос носителей из облас-ти, где они являются неосновными, в ту область, где они становятся основными носите-лями. Электроны дрейфуют из p-области в n-область, а дырки наоборот. Дрейфовый ток имеет направление, встречное диффузионному. При отсутствии внешних воздействий на переход устанавливается состояние динамического равновесия, при котором суммарный ток через переход равен нулю. Полупроводниковые приборы разделяют по их функциональ-ному назначению, а также по количеству электронно-дырочных переходов. Беспереходные: терморезисторы, позисторы, варисторы, фоторезисторы; с одним p-n переходом: выпрями-тельные, стабилитроны, варикапы, светодиоды; с двумя и более p-n переходами: биполярные транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры, фототранзисторы; нтегральные микросхемы: полупроводниковые, гибридные. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется ВАХ диода. Уравнение называют теоретической, или идеализированной, ВАХ диода.

С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид

На рис. изображены реальная ВАХ (сплошная линия) и теоретическая ВАХ (пунктирная линия). Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ выполнены в различном масштабе. Прямая ветвь реальной ВАХ, сдвинута в сторону больших значений прямых напряжений при Iпр = const . Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в тепловой генерацией носителей заряда в обедненном слое. С ростом обратного напряжения U обр ширина δ, а значит, и объем обедненного слоя растет, что приводит к росту числа процессов термогенерации электронно-дырочных пар, которые полем обратновключенного перехода выносятся из области перехода, увеличивая обратный ток. Поэтому Iобр не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом U обр.

11. Обогащение спектра сигнала на выходе нелинейного элемента. Режимы преобразования сигнала: умножение частоты; усиление; амплитудная модуляция, детектирование, выпрямление, преобразование «вверх» и «вниз».

О сновные свойства нелинейных цепей: не удовлетворяют принципу суперпозиции и обогащают спектр сигнала. Вследствие этого на выходе возможно получение спектральных компонентов, отсутствующих во входном сигнале, т.е. могут быть выполнены такие процессы обработки сигналов, как модуляция, детектирование, выпрямление, умножение частоты, преобразование частоты, и т.д. Как правило, радиотехнические устройства, реализующие перечисленные выше процессы, состоят из нелинейного элемента и линейной фильтрующей цепи. Нелинейный элемент (НЭ) обеспечивает обогащение спектра входного сигнала. В составе этого спектра содержатся составляющие, необходимые для выполнения реализуемого преобразования. Выделение необходимых составляющих осуществляется фильтрующей цепью с необходимой частотной характеристикой. Амплитудная модуляция. Модуляция есть процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала. В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Вкачестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т.д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазоваяи др.).Сигнал с амплитудной модуляцией (АМ) и гармоническим несущим колебанием записывается в виде

Детектированием называется такой процесс преобразования сигнала, в результате которого появляется НЧ составляющая, обусловленная сигналом модуляции и выделяемая фильтром низких частот (ФНЧ). В идеале воспроизводится Ei(t). Выпрямление есть частный случай детектирования, когда из спектра преобразованного сигнала выделяется только постоянная составляющая (нулевая гармоника), и на выходе получается постоянное напряжение или ток. Для выпрямления в качестве E(t) целесообразно использовать немодулированное колебание с постоянной амплитудой, т.е. когда E\(t) = E\.Выпрямление можно рассматривать, как детектирование немодулированного сигнала. С другой стороны детектирование AM колебания есть не что иное, как выпрямление ВЧ сигнала с медленно меняющейся амплитудой E\(t) .

10. Особенности анализа сигналов в нелинейных цепях. Описание характеристик нелинейных элементов точными и приближёнными (аппроксимирующими) функциями. Аппроксимация характеристик степенными полиномами и кусочно-линейными функциями.

Ц епь считается нелинейной, если параметры ее элементов за­висят от токов и напряжений. Такими являются цепи, содержа­щие элементы сопротивления с нелинейными вольт-амперными характеристиками, элементы емкости с нелинейными вольт-кулонными характеристиками и элементы индуктивности с нелинейными ампер-веберными характеристиками, а также реальные радио­электронные цепи с диодами, транзисторами, с резисторами и конденсаторами в виде p-n-перехода. Нелинейный элемент (НЭ) обеспечивает обогащение спектра входного сигнала. В составе этого спектра содержатся составляющие, необходимые для выполнения реализуемого преобразования. Выделение необходимых составляющих осуществляется фильтрующей цепью с необходимой частотной характеристикой. Наиболее широко распространены способы представления нелинейных ВАХ в виде полиномов или линейно-ломаных отрезков. Полиноминальная аппроксимация используется обычно при достаточно малых изменениях входного напряжения в окрестности рабочей точки, а линейно-ломаная - при больших. Рассмотрим аппроксимацию в виде степенного полинома на примере биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Степень полинома, которой можно ограничить аппроксимирующую функцию, зависит от положения рабочей точки и величины входного напряжения. Метод кусочно-линейной аппроксимации основан на представлении характеристики нелинейного элемента отрезками прямых линий, в результате чего нелинейная цепь может быть описана линейными уравнениями с постоянными (в пределах каждого отрезка) коэффициентами. При наличии в цепи двух и более нелинейных резисторов реализация метода затруднена, так как в общем случае изначально неизвестно, на каких участках ломаных кривых находятся рабочие точки.