Полупроводниковые приборы

Они используются для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Типы ППП:

С p-n переходом (диоды, транзисторы, тиристоры)

Без p-n перехода (p-n резисторы, варисторы, терморезисторы, фоторезисторы и др.)

Условные обозначения полупроводниковых приборов (ГОСТ 10862-72):

2 Т908А

ППП -- электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках (в твёрдом теле). Основой конструкций многих ППП является p-n-переход.

Ge + акцепторная примесь трехвалентного индия (In).

Электропроводность p типа.

Избыток дырок в валентной зоне.

Ge + донорная примесь пятивалентного мышьяка (As). Проводимость n типа.

Избыток электронов в зоне проводимости.

p

Ge - 510^-9 %

n

Е

Концентрация электронов и дырок Объединённый слой. Из-за неравновесной концентрации носителей происходит диффузионное перемещение электронов. Образуются заряды.

Двойной электрический слой в области р-n перехода обуславливает контактную разность потенциалов _к.

U

_к

Рис-7.1

X

На границе раздела областей с электронной и дырочной проводимостью возникает потенциальный барьер, препятствующий движению основных носителей (электронов из n-области и дырок из р-области), и, как следствие, появляются: запирающий слой, обеднённый подвижными носителями электрических зарядов, и контактная разность потенциалов _к,, обусловленная объёмными зарядами ионов примесных веществ.

1. Устройство и принцип действия полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод - прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо - противоположного направления. Основой конструкции такого диода является р-n переход, проводимость которого зависит от полярности внешнего источника.

Е

Рис.7.3

сли подключить к переходу внешнее напряжение с полярностью "+" к n-области, а "--" к р-области (такое включение диода называется обратным), тогда запирающий слой р-n перехода расширяется, сопротивление р-n перехода велико, ток диода мал. При подключении внешнего источника с противоположной полярностью (прямое включение) сопротивление р-n перехода уменьшается, ток через диод увеличивается. Вольтамперная характеристика диода показывает зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения (Рис. 7-4).

1 . Выпрямительный 5. Обращённый

2 . Стабилитрон 6. Варикап

3 . Двухсторонний стабилитрон 7. Фотодиод

4 . Туннельный диод 8. Светодиод

3 Устройство и принцип действия транзисторов, их схемы включения.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, в котором ток между р-n переходами обусловлен движением не основных носителей.

Типы транзисторов.

Их условные обозначения:

П ринцип работы транзистора рассмотрим на примере схемы с общей базой. Источники питания Е_э, Е_к и сопротивление нагрузки к р-n переходам транзистора подключим как показано на рис. 9-6

U_ВХ

Рис. 7-6

Полупроводниковые диоды применяются для выпрямления переменного тока, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприёмниках, для выделения и

Если эмиттерный переход П₁ напряжением U_ЭБ смещается в прямом направлении, а коллекторный переход напряжением U_КБ - в обратном, то такое включение транзистора называют нормальным.

Источником U_ЭБ создаются условия для инжектирования дырок из эмиттера в базу и перемещения электронов из базы в эмиттер (I_эр и I_эn) встречный ток электронов I_эn << I_эр т.к. концентрация примесей в области n делается меньше. Часть дырок рекомбинирует в базе с электронами поступающими в базу от Е_э. Поток этих электронов образует базовый ток I_Б. Так как толщина базы W_Б - единицы микрон, то большая часть дырок диффузионным путём достигает коллекторного р-n перехода и захватывает его полем, рекомбинируя с электронами поступающими от Е_К, при этом в коллекторе протекает ток I_К, замыкая общую цепь. Перенос тока из эмитторной цепи в коллекторную характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Схемы включения транзисторов.

Рис. 7-7

Характеристики и параметры транзисторов. Рис. 7.7. Входные и выходные характеристики биполярного транзистора.

2. Полевые транзисторы.

Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, основаны на другом методе управления процессами в полупроводниковых приборах - с помощью электрического поля. Обладая усилительными свойствами, полевые транзисторы являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как протекания в них тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал р- или n- типа. Управление тока через канал осуществляется поперечным электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах), откуда и название "полевые транзисторы". Таким образом, принцип работы полевого транзистора в самых общих чертах основан на том, что изменение напряженности поперечного электрического поля изменяет проводимость канала, по которому протекает ток выходной цепи.

В устройствах промышленной электроники применяют две разновидности полевых транзисторов: с затвором в виде р-n-перехода и с изолированным затвором. Вторая разновидность представляет собой структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы) или металл - окисел - полупроводник (МОП-транзисторы). МДП (МОП)- транзисторы, в свою очередь, делятся на два вида: транзисторы с собственным и с индуцированным каналом.

В зависимости от характера проводимости канала полевые транзисторы подразделяются на транзисторы р-типа и n-типа. Канал полевого транзистора р-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа - электронной.

Условные графические изображения полевых транзисторов.

с каналом n-типа

- с каналом р-типа

- с изолированным затвором обогащённого типа с n-каналом

- с изолированным затвором обеднённого типа с n-канал

- с изолированным затвором обогащённого типа с р-каналом

- с изолированным затвором обогащённого типа с n-каналом

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора плоской конструкции с каналом n-типа, схема включения которого с общим источником показана на рис. 7-9.

I_C

Рис. 7-9

Прибор состоит из пластины кремния проводимости n-типа, представляющий собой канал полевого транзистора, к концам которого присоединены два металлических контакта, называемых истоком и стоком. Последовательно к этим электродам подключается напряжение источника питания Е_с.и и сопротивление нагрузки R _н. Напряжение источника питания прикладывается такой полярности, чтобы поток основных носителей заряда (в канале n-типа - электроны) протекал от истока к стоку. В противоположные грани пластины введены акцепторные примеси, превращающие поверхностные слои в области полупроводника р-типа. Соединённые электрически вместе эти слои образуют единый электрод, называемый затвором. При этом между каналом и затвором образуются два р-n-перехода.

Проводимость канала определяется его сечением. Изменяя напряжение на затворе U_з.и, смещающие переходы в обратном направлении, можно изменять сечение канала за счёт расширения или сужения обеднённых слоёв переходов, а следовательно, величину протекающего через него тока. Концентрация примеси в полупроводниковых слоях р-типа (затворе) намного больше, чем в полупроводнике n-типа (канале), поэтому расширение обеднённых слоёв происходит, в основном за счёт канала.

На рис. 7-10 изображены входная (стокозатворная) и семейство выходных (стоковых) характеристик.

Рис. 7-10.

3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

О тличительной особенностью полевых транзисторов с изолированным затвором по сравнению с транзисторами с управляющим р-n-переходом является наличие между металлическим затвором и областью полупроводника слоя диэлектрика (МДП-транзисторы). Поскольку в качестве диэлектрика обычно используется двуокись кремния SiO₂, то транзисторы структуры металл - окисел - полупроводник называют МОП-транзисторами. Структура изготовляется на полупроводниковой подложке с проводимостью n- или р- типа. Имеются две разновидности МОП-транзисторов: со встроенным и с индуцированным каналом.

б

Б. Выходные характеристики

Индуцированный канал Встроенный канал

Рис. 7-11

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики управления S и внутреннее сопротивление r_В, которые определяются по вольтамперным характеристикам.

Из рассмотренного следует, что МОП-транзистор со встроенным каналом по своим свойствам и характеристикам подобен полевому транзистору с управляющим р-n-переходом и отличается только тем, что для его запирания требуется отрицательное смещение в случае канала с проводимостью n-типа и положительное смещение - в случае проводимости р-типа.

У МОП-транзистора с индуцированным каналом (рис. 7-11г) при отсутствии смещения на затворе канал отсутствует и ток стока I_C практически равен нулю. При некотором положительном (для транзисторов с n-подложкой - отрицательном) относительно истока напряжения на затворе, называемом пороговым U_пор., в поверхностном слое между истоком и стоком из-за наличия диэлектрика SiO₂ происходит явление инверсии. В результате образуется тонкий канал инверсионного слоя, удельная проводимость для основных носителей заряда и толщина которого увеличивается с ростом напряжения на затворе. Если при этом к стоку приложить напряжение той же полярности, что и на затворе, то ток стока I_C c увеличением напряжения U_З.И возрастает. Напряжение U_пор. Можно трактовать как напряжение отсечки U_З.О полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (рис.7-10). По внешнему виду выходные вольтамперные характеристики МОП-транзистора аналогичны одноимённым характеристикам полевого транзистора с управляющим р-n-переходом.

ТЕМА №10 Електроннi пiдсилювачи. Призначення, принципова будова. Рiзнi типи електронних пiсилювачив, схеми та характеристики.

1

УСИЛИТЕЛИ

ПРОЧИЕ

. Усилителем, в общем случае, называется устройство, осуществляющее плавное управление энергией, при котором управляющая энергия значительно меньше управляемой. Если управляемая и управляющая энергия - электрическая, то такие усилители называются усилителями электрических сигналов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИГНАЛОВ

--электронные; --гидравлические;

--электромеханические; --пневмотические;

--электромашинные; --и др.

--магнитные.

ЭЛЕКТРОННЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

(классификация)

По роду усиливаемых сигналов:

-гармонические;

-импульсные;

-усилители постоянного тока

По диапазону усиливаемых частот:

-усилители НЧ,ВЧ,СВЧ;

-широкополосные,узкополосные;

-перестраиваемые, не перестраиваемые

По типу усилительного элемента:

-ламповые;

-полупроводниковые.

По конструктивному оформлению:

-бортовые;

-стационарные;

-измерительные.

2. Усилительные элементы. Принцип усиления.

П роцесс усиления основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счёт изменения сопротивления управляющего элемента УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Основными элементами усилительного каскада являются: управляющий элемент, функцию которого может выполнять электронная лампа, транзистор; сопротивление R; источник питания.

3. Качественные показатели усилителей.

А. Коэффициент усиления - основной параметр, определяющий отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его выходе, т. е. Увеличение выходного сигнала по сравнению с входным. В соответствии с назначением усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

К_U = U_вых /U_вх ; К_I = I_вых / I_вх ; К_Р = Р_вых / Р_вх.

Б. Амплитудно-частотная характеристика усилителя - это зависимость коэффициента усиления в зависимости от частоты.

В. Фазо-частотная характеристика - это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением от частоты.

Г. Амплитудная характеристика усилителя - зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя, снятая при постоянной частоте сигнала.

Д. Искажения вносимые усилителем.

Три вида искажений:

• Нелинейные искажения, вызваны появлением на выходе новых гармоник

• Частотные искажения, вызваны относительным изменением амплитуды отдельных гармоник , К₀ - усиление на средней частоте.

• Фазовые искажения - изменение формы выходного напряжения вызванные неоднородным сдвигом во времени отдельных гармоник.

Усилители с обратными связями.

Обратной связью называют такую связь между цепями усилителя, при которой часть энергии усиленных колебаний из его выходной цепи попадает во входную.

В реальных условиях различают три вида ОС:

• в нутреннюю ими управлять невозможно,

• паразитную их стараются уменьшать.

• внешнюю (определяется наличием спец. цепей)

Внешняя ООС легко управляема и её специально вводят в схему усилителя для улучшения его качеств: стабильности К, расширения полосы пропускания, уменьшения искажений, увеличение входного и уменьшение выходного сопротивления.

Однопетлевая ОС Многопетлевая ОС

По способу передачи энергии через ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную обратную связь.

последовательное параллельное

Если напряжение ОС пропорционально выходному напряжению, то имеет место ОС по напряжению, а если пропорционально току в нагрузке - ОС по току

ОС по напряжению ОС по току

Чаще всего используют последовательную ОС по напряжению

U_вых = K (U_вх + U_вых)

разделим обе части уравнения на U_вх

тогда

Если U_ос совпадает по фазе со входным сигналом U_вх то такая обратная связь называется положительной (-коэффициент обратной связи положительный) К_ос>К. При такой ОС усилитель самовозбуждается и она в усилителях практически не используется.

Если U_ос противоположна по фазе со входным сигналом U_вх, то такая ОС называется отрицательной ( - отрицательный), К_ос< К. ООС широко используется в усилителе НЧ для улучшения его основных параметров.