Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Московский государственный университет экономики,

статистики и информатики

ЦУРКИН А.П.

Каф.АСОИиУ

Учебное пособие

ЭЛЕКТРОНИКА

Москва 2012г.

Тема 9(1). Основы теории электронных приборов…………………………………………

Тема 10(2). Транзисторные усилители электрических сигналов…………………………..

Тема 11(3). Аналоговые и цифровые элементы устройства………………………………

Тема 12(4). Комбинационные цифровые устройства……………………………..………..

Тема 13(5). Источники вторичные питания

Тема 14(6). Дискретная и цифровая обработка сигналов.

Тема 15(7). Волоконно – оптические линии связи (ВОЛС)

Список литературы………………………………………………………………………….

Тема 9. Основы теории электронных приборов .

К полупроводникам относят многие химические элементы (кремний, германий, индий, бор, галлий и др.), большинство окислов и сульфидов (закись меди, окись цинка, сульфид галлия и др.), интерметаллические соединения (арсенид галлия, карбид кремния и др.)

Удельное электрическое сопротивление полупроводников лежит в широких пределах от 10^-5 до 10^-6 Ом*м. Для сравнения, например металлы при комнатной температуре имеют удельное сопротивление10^-7 Ом*м, а диэлектрики 10¹²/10¹⁴ Ом*м. Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при увеличении температуры.

Проводимость полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.

Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электронов.

В результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.

Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами мало, заметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.

Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис.9-1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.

Рис.9-1Образование энергетических зон

С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.

Ширина запрещенной зоны DW называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при DW£2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – DW>2эВ диэлектриком. Определить вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне при данной абсолютной температуре можно с помощью функции Ферми:

(9-1)

Функция (9-1) определяет вероятность нахождения электронов на том или ином энергетическом уровне. В уравнении (1) W- энергия данного уровня;k- постоянная Больцмана; T-абсолютная температура; -параметр, называемый уровнем Ферми. Уровень Ферми – это последний заполненный электронами уровень при Т=0⁰К. Из (1) видно, что если: 1) Т=0⁰К, W< , то F(W)=1; 2) Т=0⁰К, W< , то F(W)=0; 3) T>0 ⁰К, W= , то F(W)=0,5.

Электроны с верхних уровней энергии валентной зоны при получении энергии извне (тепловой, световой и др.) могут переходить на уровни энергии зоны проводимости.

При уходе электрона в валентной зоне остаются свободные (вакантные) места, называемые дырками. Дырки так же, как и электроны способны «перемещаться» в кристалле, так как появившиеся свободные места могут быть заняты электронами, энергия которых лежит ниже энергии ушедших из валентной зоны электронов и на их месте также появляются дырки.

Таким образом, в полупроводнике носителями заряда являются электроны и дырки.

Итак, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок. При отсутствии внешнего электрического поля электроны, a следовательно и дырки движутся хаотически. Под воздействием внешнего электрического поля движение электронов станет упорядоченным, при этом электроны будут перемещаться против направления электрического поля, а дырки – по направлению поля.

Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения валентных связей, называется собственной.

Процесс образования пары электрон–проводимости дырка проводимости называется генерацией пары носителей заряда.

Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией.

Среднее время существования пары носителей заряда называется временем их жизни.

Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (Lp–для дырок,Ln–для электронов).

В проводниках с собственной проводимостью уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны (см. рис.9-2).

Рис.9- 2 Расположение уровня Ферми

Примесная проводимость.

Если некоторые атомы полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов, возникает тип проводимости, называемый примесным. Примеси, валентность атомов которых выше валентности основных атомов, называются донорными (или донорами), в этом случае электропроводность будет обусловлена в основном электронами их называют основными носителями заряда, а дырки – не основными.

Энергетический уровень свободных электронов будет находиться в запрещенной зоне у дна зоны проводимости. Он называется донорным уровнем. Уровень Ферми сместится от середины запрещенной зоны к дну зоны проводимости (см. рис.9-3А).

А	Б
Wg донорный уровень энергии	Wa акцепторный уровень энергии
DWg энергия ионизации донора	DWa энергия ионизации акцептора

Рис. 9-3 Акценторные и донорные уровни

Примеси, валентность атомов которых ниже валентности основных атомов, называются акцепторными (акцепторами). В этом случае электропроводность будет обусловлена в основном дырками, которые называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Энергетический уровень свободных дырок будет находиться в запрещенной зоне у потолка валентной зоны, он называется акцепторным уровнем. Уровень Ферми сместится к потолку валентной зоны (см. рис.9-3Б).

Электронно-дырочный переход и его свойства.

При контакте двух полупроводников с разным типом примесной проводимости (п – и р– типа) на границе раздела образуется область, которую называют электронно–дырочным переходом или р–п переходом.

Свойства р–п перехода положены в основу принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов. Контакт p-n перехода осуществляется сложными технологическими приемами. Как только произойдет соприкосновение, в каждой области нарушается равенство концентраций ионов примесей и свободных зарядов. Так как в области р концентрация дырок Рр значительно выше концентрации дырок Рn в области n. (Рр>>Рn), а концентрация электронов nн в области n значительно ниже концентрации их в области р , происходит диффузия дырок в область n–типа и электронов в область р– типа.

Вследствие ухода дырки из области p в ней образуется не скомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а при уходе электрона из области n в ней образуется положительный заряд иона донорной примеси.

Часть электронов и дырок, попавших в смежную область может рекомбинировать, что также нарушает равновесие концентраций между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси.

В результате около границы раздела областей создается объемный двойной слой, обедненный основными носителями заряда. Он обдает большим удельным сопротивлением. Его называют запирающий слоем или р–п переходом. Объемные заряды имеют разные знаки и создают электрическое поле р–п перехода.

Напряженность этого поля , направлена в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному слою (см. рис. 9-4). Для основных носителей каждой области оно является тормозящим, поэтому будет препятствовать дальнейшему диффузионному перемещению через р–п переход основных носителей. Электрическое поле наряду с напряженностью Е характеризуется потенциалом. Разность потенциалов в р–п переходе называют контактной. Величину контактной разности потенциалов называют высотой потенциального барьера. ( )

Рис. 9-4 Электрическое поле p-n перехода

С точки зрения зонной теории твердого тела потенциальный барьер ( ) образуется следующим образом: при контакте полупроводников р- и n–типа образуется единая система, в которой уровень Ферми является общим для областей р– и n–типа (см. рис.9-5).

-

-

Рис.9-5 Величина потенциального барьера pn-перехода

На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны. Так как в области р–типа уровень Ферми находится недалеко от потолка валентной зоны, а в области n–типа недалеко от дна зоны проводимости, энергетические зоны смещаются относительно друг друга, и в области рn перехода образуется потенциальный барьер, высота которого будет равна:

Dj = DW/q,

(9-2)

где DW – минимальная энергия (эВ), которую нужно сообщить электрону (или дырке), чтобы они могли перейти в смежную область; q – заряд электрона.

Таким образом, все энергетические уровни области р–типа подняты над энергетическими уровнями области n–типа на высоту, численно равную

DW = q ^. Dj_k

Токи р-n перехода.

Выше было рассмотрено диффузионное перемещение через р–п переход дырок и электронов. Этот поток носителей представляет собой диффузионный ток:

I диф = Ipp + Inn,

(9-3)

где Ipp– ток, образованный дырками области р–типа;

I nn – ток, образованный электронами области n типа.

Поле р–п перехода, являясь тормозящим для основных носителей, а для неосновных носителей ускоряющее. Под воздействием его не основные носители перемещаются в смежную область. Их поток представляет собой дрейфовый ток:

I др =I pn + Inp,

(9-4)

где

I рn, –ток, образованный дырками области n–типа;

I np–ток, образованный электронами области р–типа.

В отсутствии внешнего электрического поля

I _диф = I _др

(9-5)

Для случая равновесия обозначим I диф =I од, а I др =I o и тогда

I oд = I о

(9-6)

Следует заметить, что диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий ток через р–п переход равен 0.

В условиях динамического равновесия через р–п переход переходят только те свободные носители, энергия которых выше высоты потенциального барьера.

Влияние внешнего напряжения на р–п переход.

Прямое включение – источник напряжения подключен знаком «плюс» к области р–типа и «минусом» к области n–типа. Обратное включение противоположно прямому. При прямом включении электрическое поле источника напряженностью E_np направленo навстречу контактному полю Е и результирующая напряженность будет равна Е₁= Е – E_np.

Уменьшение напряженности поля вызовет уменьшение высоты потенциального барьера на величину прямого напряжения источника U пр= +U (см.рис.9-5 и 9-6):

Dj₁ = Dj – Uпр

( 9-7)

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к увеличению числа основных носителей через р-n переход, т.е. к увеличению диффузионного тока:

I диф = I од ^.

(9-8)

Так как I од = Iо , то можно записать

I диф = Io

(9-9)

На величину дрейфового тока изменение высоты потенциального барьера не влияет, он остается таким же, как и в условиях равновесия. Поэтому результирующий ток через р–п переход, называемый прямым, c учетом (9) будет равен:

Iпр= Iдиф –Iо = Io ( )

(9-10)

Рис.9-6 Прямое и обратное включение pn-перехода

При прямом включении уменьшается ширина р-n перехода.

Обратное включение р-n перехода (см. рис.9-6 б)) Рассуждая аналогично можно заключить, что в этом случае результирующий ток, называемый обратным, будет равен:

I об = I o ( )…

(9-11)

При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равен нулю, через р–п переход будет протекать только дрейфовый ток. Его величина незначительна, т.к. концентрация не основных носителей мала. Поскольку ток, образованный движением не основных носителей зависит от тепловой генерации пар носителей, его называют также тепловым. Тепловой ток называют также током насыщения, так как это предельное значение обратного тока при возрастании обратного напряжения.

При обратном включении ширина р–п перехода увеличивается.

Емкость р–п перехода.

По обе стороны границы p-n перехода расположены атомы донорной и акцепторной примесей и образуют отрицательные и положительные пространственные заряды. Если к p-n переходу приложить напряжение, то в зависимости от его величины будет изменяться его ширина, а , следовательно, и пространственный заряд. В этой связи p-n переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по величине, но противоположными по знаку заряду, т.е. p-n переход обладает электроемкостью. Различают барьерную и диффузионную электроемкость.

Барьерная электроемкость определяется:

(9-12)

где Qоб – объёмные заряды, образованные ионизированными атомами акдепторной примеси; Uоб – обратное напряжение.

При включении p-n перехода в прямом направлении из каждой области в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда. Это связано с диффузией зарядов при понижении потенциального барьера. Если слои тонкие, то около границы p-n перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Чтобы нейтрализовать этот заряд из прилегающих слоев отсасываются основные носители. Следовательно, в каждой области у границы p-n перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды Q_диф. Электроемкость, которая связана с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной. Эта электроемкость увеличивается с увеличением прямого тока, а барьерная электроемкость увеличивается при увеличении обратного тока. При расчетах p-n перехода при прямом напряжении учитывают С_диф, а при обратном С_δ.

Вольтамперная характеристика р–п перехода. Это зависимость тока проходящего через рп переход от приложенного к нему напряжению I = ¦(U) (см. рис.9-7.)

Рис. 9-7 Вольтампермерная характеристика диода

Уравнение зависимости I от U имеет вид:

I = Iо( )

(9-13)

Если р–п перевод включен в прямом направлении, напряжение со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус.

Режим работы полупроводникового выпрямительного диода определяются его характеристикой.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) - это зависимость электрического тока, протекающего через диод от напряжения, приложенного к диоду. Прямой ток резко растет при небольших положительных напряжениях (U_npB). Но этот ток не должен превышать максимального значения, т.к. в противном случае произойдет перегрев диода и он выйдет из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в интервале 10В ÷ 10кВ.

Динамический режим работы диода.

Переключение полупроводникового диода из проводящего соединения в закрытое происходит не сразу, а по истечении какого-то времени, т.к. при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда. Время накопления заряда для маломощных диодов составляет 10-100нс. Следует заметить, что период колебания входного напряжения должен быть больше времени накопления заряда. Если такое правило не соблюдается, то диод теряет свои свойства. Чтобы уменьшить время переключения используют диод Шотки. Время накопления заряда в этом диоде очень мало и поэтому время переключения может быть доведено до 100нс.

Пробой р–п переход .

Рис. 9-8 Виды пробоя p-n перехода

Если обратное напряжение р–п перехода увеличить сверх определенной величины, наступает пробой р–п перехода. При этом будет резкое увеличение величины обратном тока.

Пробой делят на два вида: тепловой и электрический. Тепловой пробой (рис.9-8, кривая I) приводит к разрушению р–n перехода.

При электрическом пробое р–п переход может сохранить свою работоспособность. При этом различают пробой лавинный (рис.9-8,кривая 2) и туннельный (рис. 9-8, кривая 3). Свойства р–п перехода в условиях лавинного и туннельного пробоя используют при создании туннельных диодов.

Лавинный пробой наблюдается в широких р–п переходах. Он возникает вследствие того, что под действием электрического поля большой величины носители заряда приобретают энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом решетки полупроводника выбить из ковалентной связи электроны, вследствие чего возникает пара свободных носителей электрон–дырка. В свою очередь эти носители также выбивают электроны и т.д. Этот процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки протекает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию тока через р–п переход.

Туннельный пробой наблюдается при больших напряженностях поля в узких р–п переходах. В них наблюдается туннельный эффект, который состоит в том, что электроны через узкий р–п перехода проходят в смежную область без затраты энергии, «туннелируют».

Параметры, характеристики выпрямительных диодов.

Типы полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним р–п переходом и двумя омическими контактами. Он чаще всего образуется между двумя полупроводниками р–и п–типа, иногда между полупроводником и металлом.

Одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) –базой.

Параметры диодов.

Максимально допустимый ток, постоянное прямое напряжение, максимально допустимое обратное напряжение, максимально допустимый обратный ток, дифференциальное сопротивление.

По типу р–п перехода диоды делят на два класса: точечные и плоскостные.

По назначению и принципу работы диоды бывают следующих типов: выпрямительные, стабилитроны (стабилизаторы напряжения), вариканты, туннельные, и др.

Выпрямительные диоды

Условное обозначение туннельных диодов в схемах

В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n перехода. Такие диоды применяются в качестве вентилей, которые пропускают переменный ток только в одном направлении. Принцип работы таких приборов будет рассмотрен в главе «Источники вторичного питания».

Схема замещения выпрямительного диода представлена на рисунке 9-9.

Рис..9-9 Схема замещения выпрямительного диода

Включенное в схему сопротивление “r” определяет учет утечки электрического тока, электроемкость «С «учитывает диффузионную и барьерную электроемкость p-n перехода, i – управляемый источник электрического тока, который моделирует ВАХ p-n перехода.

СТАБИЛИТРОН.

Такой полупроводниковый прибор, который работает в режиме электрического пробоя p-n перехода. Условное графическое обозначение стабилитрона в схемах.

Обратная ветвь ВАХ (рис. 1-7) имеет значительный излом, который характеризуется резким ростом электрического тока. При резком возрастании тока наблюдается соответствующее напряжение стабилизации, которое может охватить диапазон 4-÷180 В. Эффект стабилизации состоит в том, что резкое возрастание электрического тока вызывает незначительное изменение напряжения, которое практически незаметно.

ВАРИКАП.

Этот полупроводниковый прибор предназначен для работы в качестве конденсатора переменной емкости. Условное графическое обозначение варикапа в схемах

Работа варикапа в режиме конденсатора объясняется следующим образом. Если подать на варикап обратное напряжение, то барьерная электроемкость варикапа уменьшается при увеличении напряжения и наоборот. Варикапы используются для электрической настройки колебательных контуров.

Туннельные диоды.

Условное обозначение туннельных диодов в схемах

Эти диоды изготовляются на основе вырожденного полупроводника, т.е. из такого материала, содержание примесей в котором очень велико. Вследствие высокой концентрации примесей удельные сопротивления областей р–и n типа очень малы, а ширина р–n перехода составляет примерно 0,02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких р–n переходах достигает огромной величины – до 10⁶ В/см.

Рис.9-9 Вольтамперная характеристика тунельного диода

На вольтамперной характеристике туннельного диода наблюдают следующие участки:

1. Рост электрического тока до максимального значения (точка «а»);

2. Снижение электрического тока до минимального значения (точка «В»);

3. Рост электрического тока от точки минимального значения (до уровня точка «а»).

Из рисунка 9-9 видно, что на участке «аВ» рост напряжения соответствует «отрицательному приращению» электрического тока. В этом случае говорят об «отрицательном» сопротивлении (-R) или «отрицательном значении дифференциальной проводимости ( ).

Благодаря своей своеобразной ВАХ, туннельные диоды используют в качестве быстродействующих переключающих устройств, для усиления и генерирования электрических сигналов.

Схема замещения туннельного диода на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала представлена на рисунке 9-10.

Рис. 9-10. Схема замещения туннельного диода

В этой схеме С – общая электроемкость туннельного диода; -R – отрицательное сопротивление; r – сопротивление потерь; L – индуктивность выходов.

Диод Шотки.

Условное обозначение

Диод Шотки выполнен на основе контакта металл-полупроводник и при этом работа выхода электронов в металле больше работы выхода электронов в полупроводнике. При идеальном контакте металла и полупроводника происходит диффузия электронов из полупроводника и металл заряжается отрицательно, и при этом в приконтактной области полупроводника образуется слой, который обеднен основными носителями заряда и заряжен положительными ионами доноров. В результате возникает электрическое поле, напряженность которого направлена в сторону к металлу. Возникшее электрическое поле не дает возможности движению электронов в металл и возникает потенциальный барьер.

При прямом включения источника напряжения диода Шотки, потенциальный барьер снижается и электроны переходят в металл. При обратном включении – высота потенциального барьера повышается и этот барьер могут преодолеть только дырки, которые создают обратный ток. Концентрация дырок мала и обратный ток очень незначительный.

Таким образом в диоде Шотке создается также, как и в обычном p-n переходе, запирающий слой, который обладает выпрямляющими свойствами. Кроме того, этот слой является неинежктирующим (инжекция – впрыскивание) и имеет незначительную барьерную электроемкость. Также свойства позволяют создавать на основе диода Шотки полупроводниковые приборы с идеальными характеристиками.

Влияние температуры на работу полупроводниковых диодов.

На электропроводимость полупроводников значительно влияет температура. Если температура повышается, то возрастает генерация пар носителей заряда и при этом электропроводимость возрастает. В этой связи прямой и обратный токи увеличиваются. Например для германиевых диодов при увеличении температуры на каждые 10° С обратный ток может возрасти в два раза, а для кремниевых диодов в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве диода возрастает незначительно, так как такой ток получается за счет примесной проводимости. Также с повышением температуры незначительно возрастает барьерная электроемкость диода.

Биполярные транзисторы - биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя областями чередующегося типа электрической проводимости, разделенными двумя взаимодействующими р–п переходами, способный усиливать мощность.

Конструктивно–сплавной биполярный транзистор представляет собой пластинку монокристалла полупроводника проводимостью p или n – типа, по обеим сторонам которой наплавлены полупроводники, образующие с данным полупроводником иной тип проводимости.

На рис.9-11 показана конструкция транзистора, в которой в пластинку германия n–типа вплавлены по обеим сторонам шарики индия, образующие с германием проводимость p–типа.

Рис. 9-11. Реальная структура сплавного транзистора p-n-p

На рис.9-12 показана упрощенная плоскостная структура транзистора.

а) б)

Рис.9-12. Упращённая структура транзистора p-n-p (а) и n-p-n (б)

Э-эмиттер, Б-база, К-коллектор

Крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором среднюю – базой, р–п переходы соответственно называют эмиттерным и коллекторным. Если эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью (области р), а база – электронной проводимостью (область п), структура транзистора р–п–р. Если проводимости областей транзистора противоположна названным, его структура п–р–п.

Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков и основан на использовании свойств р–п переходов.

Условное обозначение транзисторов в схемах полярности напряжений в активном (усилительном) режиме работы и направления токов показаны на рис.9-13

Рис. 9-13. Условное обозначение транзисторов структур р–п–р (а) и п–р–п (б), полярности напряжений в активном режиме работы и направления токов.

Различают 3 схемы включения транзисторов в зависимости от того, какой вывод транзистора принимается общим для его входной и выходной цепей (см. рис.9-14) :

1. с общей базой (ОБ),

2. с общим эмиттером (ОЭ)

3. с общим коллектором (ОК)

Рис.9-14. Схемы включения транзисторов:

а) с общей базой.

б) с общим эмиттером.

в) с общим коллектором.

Транзисторы в схемах могут работать в различных режимах: активном (усилительном), насыщения и отсечки. Последние два режима называют ключевыми.

Рассмотрим принцип работы транзистора структуры р–п–р на примере схемы с общей базой. Обычно для исследования работы транзистора используют условную плоскостную схему (рис.9-15).

Рис.9-15 Направления токов в транзисторе

Для работы транзистора в активном режиме на его эмиттерный переход подается небольшое по величине напряжение в прямом направлении, а на коллекторный переход – значительно большее по величине (примерно, на порядок) напряжение в обратном направлении. При подаче напряжения на эмиттерный переход в прямом направлении понижается высота его потенциального барьера, поэтому дырки вследствие разности концентрации их в эмиттере и базе (т.е. вследствие диффузии) инжектируются (впрыскиваются) в область базы, образуя дырочный ток эмиттера ,Iэр.

Одновременно из области базы в результате диффузии в области эмиттера переходят электроны базы, образуя в эмиттере электронный ток Iэп.

Итак, ток эмиттера равен:

Iэ=Iэр+Iэn

(9-13)

Ток Iэn не участвует в создании коллекторного (выходного) тока транзистора и только нагревает эмиттерный переход, поэтому его величину уменьшают. Для этого базу насыщают донорной примесью незначительно. Из–за малой величины тока Iэn им часто пренебрегают.

Инжектированные в область базы дырки у эмиттерного перехода имеют значительную концентрацию и за счет диффузии перемещаются в сторону коллекторного р–п перехода. Так как поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим, происходит экстракция (всасывание) дырок в область коллектора. Поскольку их концентрация около коллекторного перехода выше, чем в остальной части коллектора, за счет диффузии дырки перемещаются в сторону омического контакта, где рекомбинируют с электронами, поступающими от источника Екб. Таким образом, дырки от эмиттера через базу попадают в коллектор, образуя дырочную составляющую тока Iкр в области коллектора. Токи Iэр и Iкр по величине не равны, так как часть дырок эмиттера, попавших в область базы, не доходит до коллекторного перехода, рекомбинируя с электронами базы, в результате чего исчезают и дырка и электрон. В базе вследствие этого процесса протекает составляющая тока базы называемая током рекомбинации Iбрэк.

Вместе с основными носителями заряда через эмиттерный и коллекторный переходы движутся не основные носители, образующие дрейфовую составляющую тока в каждой из областей транзистора.

Влияние на свойства транзистора оказывает дрейфовый ток, образованный перемещением не основных носителей через коллекторный переход: дырок, из области базы и электронов из области коллектора. Этот ток называют обратным током коллекторного перехода Iко.

Так как он образуется в результате генерации пар носителей дырка–электрон при повышении температуры сверх К, его называют тепловым током. С повышением температуры он растет по экспоненциальному закону. В германиевых транзисторах при повышении температуры на каждые К Iко возрастает в 2 раза, в кремниевых – в 2,5 раза.

Величина Iко не зависит от величины потенциального барьера р–п перехода, так как поле р–п перехода для не основных носителей является ускоряющим, она зависит от температуры транзистора, т.е. Iко является неуправляемым током.

Таким образом, можно записать значения токов, протекающих в отдельных областях транзистора в схеме ОБ.

Ток эмиттера был определен выше:

Iэ=Iэр+Iэп»Iэр

(9-14)

Ток базы

Iб=Iэn–Iбрэк–Iко

(9-15)

Ток коллектора

Iк=Iкр+Iко.

(9-16)

Из уравнений (9-14),(9-15),(9-16) можно установить

Iэ=Iб+Iк,

(9-16а)

что соответствует 1–му закону Кирхгофа.

Токи Iк и Iб содержат составляющую Iко, следовательно, их величина, как и Iко, изменяется с изменением температуры. Для того, чтобы поддерживать величины этих токов на определенном уровне вне зависимости от температуры, схемы, в которых работает транзистор, стабилизируют.

Итак, через транзистор течет сквозной дырочный ток от эмиттера через базу в коллектор, а в выводах транзистора – электронный ток.

Напомним, что за положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов (дырок), т.е. направление, противоположное направлению движения электронов (см. рис.9-15)

Током коллектора можно управлять. Для изменения его величины следует изменять величину напряжения источника питания Еэ. С увеличением Еэ уменьшается высота потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличивается ток Iэ, а, следовательно, и ток Iк. Таким образом, ток эмиттера является управляющим током, а ток коллектора – управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током.

Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.

Транзистор в активном режиме обладает способностью усиливать мощность электрического сигнала, включенного в входную цепь. При этом в зависимости от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) будет наблюдаться усиление сигнала либо по току, либо по напряжению, либо по тому и другому. Например, в схеме с ОБ имеется усиление по напряжению и по мощности, усиление по току не происходит . Для того, чтобы выделить мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают нагрузочный резистор Rк, обладающий большим сопротивлением, значительно превышающим входное сопротивление транзистора Rэ (сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении (см. рис. 9-16).

Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе (Uкб=Eкб–Rк ^.Iк), но это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный ток Iк не уменьшится. Величина тока Iк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттера Iэ.

Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.

Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину DUэб, ток эмиттера изменится на величину DIэ=DUэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же величину DIк=aDIэ»DIэ, (a»1). Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи изменится на DUк=RкDIк или DUк=(Rк/Rэ)DUэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке в Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так как Rк>>Rэ, следовательно, DUк>>DUэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение входной мощности равно DРвх=РэDIэ² приращение выходной мощности DРвых=RкDIк²»RкDIэ² или DРвых=(Rк/Rэ)DРвх. Т.к. Rк>>Rэ, то DPвых>>DPвх.

При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.

В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.

Рис.9-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором в выходной цепи.

Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току приводит к значительное усилению по мощности.

В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.

Параметры транзистора:

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ

a=Iкр/Iэ

(9-17)

Обычно a=0,9–0,99.

Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его можно получить из соотношения Iк=aIэ+Iко, если подставить в него выражение Iэ=Iб+Iк. Тогда Iк=a(Iб+Iк)+Iко, откуда:

Iк=(a/(1–a))Iб+Iко/(1–a),

(9-18)

или

Iк=bIб+Iкоэ,

(9-19)

b=a/(1–a),

(9-20)

где b=a/(1–a) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный через a.

Из уравнения (9-9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по току. Например, еслиa=0,985, то b=66.

Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

Iкоэ=Iко/(1–a)=(1+b)Iко

(9-21)

Коэффициенты a и b являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто называют коэффициентами передачи тока эмиттера (a) и тока базы (b).

2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен

=DUэб/DUкб

(9-22)

в схеме с ОЭ

=DUбэ/DUкэ,

(9-23)

где DUэб, DUбэ, DUкб, DUкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и коллектора.

3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:

Rвхб=DUэв/DIэ,

(9-23)

в схеме с ОЭ

Rвхэ=DUбэ/DIб

(9-24)

где DIэ и DIб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.

4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно

Rвыхб=DUкб/DIк,

(9-25)

в схеме с ОЭ

Rвыхэ=DUкэ/DIк

(9-26)

На рис. 9-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора, включённого по схемам ОБ и ОЭ

Рис. 9-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)

Схемы замещения транзисторов типа p-n-p

Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.

Рис. 9-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.

В схеме ОБ (рис.9-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами Rвхб= Uэб/ Iэ десяткам Ом.

Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов, включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 9-19, а, б)

Рис 9-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.

Рис 9-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.

Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе соответственно U₂ и I₂. Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 1-20)

Рис. 9-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.

Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.9-20)

1. Входное сопротивление VT для переменного тока:

Н₁₁= Uбэ/ iб (Uкэ=const)

(9-27)

2. Выходная проводимость:

Н₂₂ = iк/ Uкэ (iб=const)

(9-28)

3. Коэффициент усиления по току:

Н₂₁ = iк/ iб ( Uкэ=const)

(9-29)

Для маломощных транзисторов:

а для транзисторов средней и большой мощности (9-30)

Выходная проводимость для маломощных транзисторов

, а для средней и большей мощности

(9-31)

Коэффициент усиления по току

(9-32)

Общая характеристика схем включения транзисторов p-n-p типа.

Схемы	Iвх	Iвых	Ki	Rвх и Rвых	Uвх	Uвых	Ku	Kp	Инв
ОБ	Iэ	Iк	<1	Rвх < Rвых	Uэб	Uкб	>1	>1	Нет
ОЭ	Iб	Iк	>1	Rвх < Rвых	Uбэ	Uкэ	>1	>1	Да
ОК	Iб	Iэ	>1	Rвх > Rвых	Uбк	Uэк	<1	>1	Нет

Влияние температуры на работу полупроводниковых транзисторов.

На работу транзисторов значительно влияет повышение температуры. При этом возрастает начальный ток коллектора, а, следовательно, это приводит к изменению характеристик транзистора. Например, для германиевого транзистора включённого по схеме ОБ при диапазоне нагрева от 20⁰С до 70⁰С Iко (начальный ток коллектора) увеличится в 2⁵ раз.

Известно, что Iк=Iко+ Iэ,

(9-33)

где - не зависит от температуры, Iэ=const и поэтому незначительное увеличение Iк при повышении температуры практически не изменяет режим работы транзистора. В том случае, если транзистор включён по схеме ОЭ, то начальным током является сквозной ток и он возрастает при изменении температуры от 20⁰С до 70⁰С примерно в 2 раза. Очевидно, что такое возрастание тока приводит к резкому изменению выходных характеристик (зависимости Iк от Uкэ) транзистора, перемещается рабочая точка и режим усиления нарушается.

Полевые транзисторы.

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования и усиления электрических сигналов с помощью полевых транзисторов обусловлены потоком основных носителей, которые протекают через проводящий канал и управляются электрическим полем. В образовании выходного тока в полевых транзисторах участвуют только электроны или дырки, а поэтому эти полупроводниковые приборы ещё называются униполярными транзисторами.

Полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n переходом и изолированным затвором, или МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). Также к полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МОП-транзисторы (металл-диоксид кремния-полупроводник)

В этих группах полевых транзисторов электроды обозначают истоком И (эмиттер-биполярного транзистора), затвором З (база биполярного транзистора) и стоком С (коллектор биполярного транзистора). На рис. 9-21 изображена упрощённая структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Рис. 9-21. Структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Условное графическое изображение полевых транзисторов с управляющим p-n переходом с каналом n-типа и p-типа приведены на рис. 9-22 а, б

Рис. 9-22. Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n-типа (а), p-типа (б).

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом выполнен в виде пластины из полупроводника n-или p-типа (рис.9-21в данном случае рассматривается полупроводник n-типа). На гранях этой пластины созданы области p-типа электропроводности (3) и в результате образуются p-n переходы, а контакты областей «3» соеденены между собой. Объём пластины, расположенный между p-n переходом является каналом полевого транзистора. Если приложить к затвору отрицательное напряжение, то происходит обеднение электронами (основные носители) участков канала, примыкающих к затвору, ширина p-n перехода возрастает и увеличивается его сопротивление. Таким образом происходит управление сопротивлением канала. В том случае, если канал полевого транзистора p-типа, то при подаче положительного напряжения между затвором и истоком p-n переход расширяется и уменьшается толщина канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (канал n-типа) оказывается запертым (Iс=0) при обратном напряжении, которое называется напряжением отсечки Uзиотс. В этом случае p-n переходы сливаются и ток через канал не проходит. Напряжение насыщения:

Uси(нас)=/Uзи(отс)//Uзи/

(9-34)

Режим, когда Uси>=Uсиназ называется режимом насыщения и рост тока Iс прекращается при увеличении Uси.

Полевые транзисторы имеют три схемы включения с общим истоком (ОИ) (а), общим стоком (ОС) (б) и с общим затвором (ОЗ) с каналом n-типа. Наиболее часто используемой схемой включения применяется схема с ОИ (рис. 9-23).

Рис. 9-23. Схема включения полевого транзистора с общим истоком.

Так же как у биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют статические характеристики. Основной статической характеристикой полевого транзистора с управляющим p-n переходом - выходная (стоковая), которая показывает зависимость Iс от Uси при Uзи=const. Вольтамперная стоковая характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом показана на рис. 9-24.

Рис. 9-24. Стоковая вольтамперная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Из рис. 9-24 видно, что с повышением Uси электрический ток Iс увеличивается линейно, но при Uси=Uси(нас) ток стока не увеличивается. Для полевых транзисторов с управляющим p-n переходом зависимость Iс от отрицательного значения Uзи при Uси=const называют характеристиками прямой передачи или стокозатворной. Вольтамперная характеристика прямой передачи показана на рис. 9-25.

Рис. 9-25. Вольт-амперная характеристика прямой передачи (стокозатворной) полевых транзисторов.

Параметрами полевых транзисторов с управляющим p-n переходом являются крутизна стокозатворной характеристики, входное и выходное дифференциальное сопротивление, напряжение отсечки, междуэлектродные электрические ёмкости, коэффициент усиления.

Крутизна стокозатворной характеристики характеризует управляющее действие затвора и её измеряют при Uзн= данное и Uси=const.

S=dIс/dUзи

(9-35)

Входное дифференциальное сопротивление очень большое (10⁸-10¹⁰ Ом) и связано это с тем, что концентрация неосновных носителей в канале небольшая и поэтому обратный ток невелик и практически не зависит от /Uзи/. Выходное дифференциальное сопротивление электрической цепи стока определяют по формуле: при Uзи=const. Напряжение отсечки – это напряжение на затворе при Ic=0 и Uси=0.

Междуэлектродные электрические ёмкости – это электроёмкости между затвором и истоком, между затвором и стоком, между стоком и истоком.

Коэффициент усиления

К=dUис/dUзи

(9-36)

где Uзи – заданное при Iс=const.

Можно также рассчитать коэффициент усиления по следующей формуле:

К=S ^. Rис_диф

(9-37)

Для расчёта схем на полевых транзисторах используют схемы замещения (рис. 9-26)

Рис. 9-26. Схема замещения полевого транзистора:

Сзс – электроёмкость между затвором и истоком; Rси – дифференциальное выходное сопротивление; Uзи – источник тока, управляемого напряжением на затворе Uзи, Сзи – электроёмкость между затвором и истоком.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют исток и сток в виде сильно легированных областей полупроводника. Оба вида полевых транзисторов (МДП и МОП) могут быть сконструированы с каналами p-типа и n-типа. Встроенный канал создаётся при изготовлении полевого транзистора, а индуцированный канал при работе полевого транзистора наводится под влиянием поля, которое приложено к затвору.

Полевой транзистор со встроенным каналом (МДП- транзистор).

Такие МДП-транзисторы имеют канал, обогащённый носителями зарядов. Основу МДП транзистора со встроенным каналом составляет мало насыщенная примесью пластина полупроводника с электропроводимостью p-типа или n-типа (рис. 9-27)

Рис. 9-27. Структурная схема полевого транзистора со встроенным каналом n-типа (тонкий слой полупроводника n-типа)

Если на затвор полевого транзистора со встроенным каналом n-типа подавать отрицательное напряжение (Uзи), то электроны выталкиваются из области канала в подложку, а канал обедняется носителями и ток Iс уменьшается. При подаче на затвор полевого транзистора положительного напряжения, электроны втягиваются из подложки в канал и ток Ic через канал увеличивается. Следовательно МДП-транзистор может управляться положительным и отрицательным напряжением. Условное графическое изображение полевых транзисторов со встроенным каналом показана на рис. 1-28 (О-основание или подложка)

Рис. 9-28. Условное графическое изображение МДП транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), p-типа (б)

Схема выключения МДП-транзисторов показана на рисунке 9-29 (а,б,в)

Рис. 9-29. Схемы включения МДП-транзисторов с ОИ (а), с ОС(б), с ОЗ(в).

Статические характеристики МДП-транзисторов показаны на рисунке 9-30 (а, б).

Рис. 9-30. Статические характеристики МДП-транзисторов со встроенным p-каналом. Выходные или стоковые (а), стокозатворная (б).

Транзистор с индуцированный каналом (МОП- транзистор).

МОП-транзисторы могут быть выполнены с индуцированным каналом n-типа и p-типа. Транзистор (например n-типа) устроен так, что при отсутствии напряжения на затворе канал закрывается (рис. 1-31), в связи с тем, что n-области истока и стока образуют с О-основанием два p-n перехода, которые включены навстречу друг другу и при любой полярности напряжения СИ один из переходов заперт.

Рис. 9-31. Структурная схема полевого транзистора с индуцированным n-каналом.

В том случае, если на затвор подать положительное напряжение больше порогового Uзи >Uзи (пороговые), то создаётся канал n-типа, соединяющий исток и сток. МОП-транзисторы с индуцированным каналом p-типа имеют принцип работы такой же как n-типа, но полярность напряжений у них противоположна МОП транзисторам n-типа. Условное графическое изображение полевых транзисторов с индуцированным каналом показано на рис. 1-32.

Рис. 9-32. Условное графическое изображение МОП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа (а), p-типа (б).

Следует заметить, что МОП-транзисторы можно включать по схеме с ОЗ, ОИ, ОС. На практике чаще используются схемы полевых транзисторов с ОИ, что даёт возможность получить большие коэффициенты по напряжению, току и мощности.

Входные и выходные характеристики МОП-транзисторов показаны на рис. 1-33 (а, б)

Рис. 9-33. Статические характеристики МОП-транзистора: стокозатворные (а) и выходные (б).

Транзистор с затвором Шотки.

Полевой транзистор (металл-полупроводник) или ПТШ (полевой транзистор с затвором Шотки) имеет в своей структуре вместо полупроводника кремния – арсенид галлия, что позволяет в несколько раз увеличить быстродействие при использовании его в информационных передающих устройствах (рис. 1-34).

Рис. 9-34. Структурная схема полевого транзистора с затвором Шотки.

ПТШ - транзисторы по принципу работы аналогичны полевым транзисторам с p-n затвором, а только роль управляющего p-n перехода выполняет переход Шотки. Напряжение перехода Шотки создаёт под затвором обеднённый слой, ширину которого можно изменять Uзи. Для того, чтобы создать в МЕР транзисторе проводящий канал, следует к затвору подать положительное напряжение относительно потока. Это напряжение в свою очередь является прямым для перехода Шотки и уменьшает ширину обеднённого слоя. Uзи можно увеличивать только до 0,7 В, так как при большем этого значения напряжение может создать для транзистора ток, который выведет транзистор из строя. Стокозатворные характеристики ПТШ - транзистора приведены на рис. 1-35.

Рис. 9-35. Стокозатворные характеристики в режиме обогащения (а), обеднения (б) канала.

Силовые полупроводниковые приборы.

Силовые полупроводниковые приборы – это управляемые приборы, работающие в ключевом режиме. Такие приборы работают на токах до 1000А и напряжении до 6000 В при частотах до 10⁶Гц. Эти полупроводниковые приборы называются тиристорами и симисторами. В свою очередь теристоры подразделяются на диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры)

Динисторы – это полупроводниковые приборы с тремя или более p-n переходами и с двумя режимами работы (включен, выключен).

Рассмртрим работу диодных динисторов, которые имеют два вывода от крайних чередующихся p-и n- областей (рис. 9-36 а,б).

рис. 9-36. Конструктивная схема устройства динистора (а) и его условное графическое изображение (б). А-апод, К-катод, У-управляющий электрод, П₁, П₂, П₃ – электронно-дырочные переходы.

В том случае, если на динистор подаётся электрическое напряжение переключения, то он будет находится в закрытом состоянии (П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, а П₂ – в обратном и ток динистора практически равен нулю) и нагрузка отключена от электрического источника при условии, что напряжение питания больше напряжения переключения – динистор будет находиться в открытом состоянии (все переходы смещаются в прямом направлении) и нагрузка включается к электрическому источнику.

В включенном режиме работают также и тиристоры. В тиристоре имеется вывод от одной из баз транзисторов T₁ и T₂ четырёхсложной структуры. При подаче тока на одну из баз этих транзисторов коэффициент передачи растёт и транзистор включается.

Оптоэлектроника.

Оптоэлектроника это раздел электроники, изучающий преобразование оптических сигналов в электрические и наоборот. В системах передачи, обработки и хранения информации. Передача информации в оптоэлектронных приборах осуществляется световыми фотонами с энергией

(9-38)

где, h=6,6 ^. 10^-34 Дж^.с – постоянная Планка; - частота.

Передача, обработка и хранение информации с помощью оптоэлектронных элементов обеспечивает ряд преимуществ:

а) Высокую ёмкость оптических каналов передачи информиции;

б) Большую плотность записи;

в) Высокую помехозащищённость каналов связи (световая волна не реагирует на действие электромагнитных полей)

г) Большую возможность микроминиатюризации компонентов связи.

Светодиод.

Светодиоды – это такие приборы, которые имеют один p-n переход, преобразующий электрическую энергию в энергию некочерентной световой волны. Это явление происходит при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода и результатом этого явления получают излучение фотонов. Условное графическое изображение светодиода.

Рис9-37.Фотодиод.

Фотодиоды – это приборы в которых выдимое оптичесок излучение воздействует на p-n переход и за счёт внутреннего фотоэффекта происходит разделение пар и образуется гальванический элемент. Условное графическое изображение фотодиода:

Рис.9-38Фоторезистор.

Фоторезисторы – это приборы, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от падающей на него интенсивности и спектрального состава светового луча. Поток фотонов вызывает появление пар электрон-дырка, которые уменьшают сопротивление резистора. Явление уменьшения сопротивления резисторов под воздействием света называют внутренним фотоэффектом. Условное графическое изображение фоторезистора:

Фототранзистор(рис.9-39).

Фототранзисторы – это биполярные транзисторы, в которых при попадании света на базу транзистор открываеся . условное графическое изображение фототранзисторов структуры n-p-n.

Рис.9-39.

При включении фототранзисторов по схеме с ОЭ базовый фототок увеличивается в - раз ( =50÷200). Это говорит о том, что фоточувствительность прибора очень высока.

Оптроны(рис.9-40)

Оптроны – это приборы, состоящие из источника и приёмника светового излучения, которые помещены в один корпус

Различают следующие оптроны (оптопары):

• Резисторная оптопара

• Диодная оптопара

• Транзисторная оптопара

Рис.9-40

Рассмотрим простейшую схему усилителя на диодной оптопаре (рис. 9-41).

Рис. 9-41. Схема усилителя на диодной оптопаре.

В рассматриваемой схеме находится транзистор VT, с которого можно снимать усиленный сигнал. Uвх подаётся на светодиод и световая энергия от него попадает на вход фотодиода, который преобразует световую энергию в электрическиу, которая снимается с Uвых.