|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Полупроводниковые приборыСтр 1 из 7Следующая ⇒
Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников
Введение
По типу используемых радиоэлементов все электронные устройства делятся на несколько поколений. 1) Радиолампы. Это первый тип приборов, используемых для выпрямления, усиления, преобразования сигналов. Посколь-ку данная учебная дисциплина предназначена для студентов, изучающих вычислительную технику, то этот тип электронных приборов здесь не рассматривается. 2) Полупроводниковые приборы (ПП). В настоящее время именно эти приборы шире всего применяются в электро-нике вообще и в вычислительной технике в частности. 3) Интегральные микросхемы (ИМС). Интегральные ми-кросхемы будут изучаться отдельно. Они бывают нескольких типов, но в настоящее время используется практически только полупроводниковые ИМС. 4) Большие интегральные схемы (БИС) и микропроцессо-ры. Являются просто более сложной разновидностью микро-схем, имеют высокую степень интеграции (большее число элементов в микросхеме). Как видите, после ламповых приборов, все остальные являются полупроводниковыми и отличаются только конструк-цией: ИМС представляют собой электрическую схему на полу-проводниках, объединённую в единое устройство и размещён-ную в одном корпусе. Распространение полупроводников обусловлено их до-стоинствами по сравнению с радиолампами: - малые габариты и вес; - малая потребляемая мощность; - низкая стоимость; - высокая надёжность. В то же время, наряду с преимуществами, полупроводни-ковые приборы в сравнении с лампами имеют и недостатки. В частности: - низкая стабильность работы; - большой разброс параметров; - зависимость параметров от температуры; - более высокий уровень шумов. Основными типами полупроводниковых приборов явля-ются а) полупроводниковые диоды различных типов, б) бипо-лярные и полевые транзисторы, в) тиристоры. Сейчас трудно найти человека, не представляющего себе, как выглядит диод или транзистор. Но первые такие приборы выглядели вовсе не так миниатюрно, как сейчас (рисунок 2.1).
Интересно, что некоторые учёные считают, что именно изобретение транзистора является самым революционным открытием ХХ века.
В то же время, радиолампы отнюдь не сошли окончатель-но со сцены. Да – в компьютерной технике использовать их сей-час бессмысленно, но в звуковой аппаратуре или в военной технике они широко используются. Например, многие знатоки и аудиоманы предпочитают иметь именно ламповые усилители - в частности, из-за низкого уровня шумов. В этом случае от колонок совершенно не слышно характерного шипения при паузах в музыке.
Свойства полупроводников
Как известно, по своей способности проводить ток, все вещества делятся на три группы: проводники, полупроводни-ки и диэлектрики (или изоляторы ). Проводники характеризуются наличием в них свободных электрических зарядов (в металлах – это электроны), способных легко перемещаться под действием электрического поля, то есть создавать электрический ток. Полупроводники слабо проводят ток, а диэлектрики – практически совсем не проводят. Тем не менее, разница между полупроводниками и изоляторами не так очевидна. Электропро-водность их при повышении температуры сильно возрастает. То есть при охлаждении сопротивление полупроводника увеличи-вается и он перестаёт проводить ток, фактически становясь диэлектриком. Диэлектрик же при повышении температуры становится полупроводником. Фактически диэлектриками назы-вают вещества, которые не проводят ток при обычной, нормаль-ной температуре. Большинство веществ в природе при нормаль-ных условиях являются полупроводниками.
Но особенность полупроводников не просто в том, что они проводят ток хуже, чем проводники (т.е. имеют высокое сопротивление). Их сопротивление не является постоянной, справочной величиной (как в металлах), а значительно зависит от целого ряда факторов: - температуры; - количества и природы внесённых примесей; - электрического поля; - света; - ионизирующих излучений и пр.
Основной ключевой особенностью, решающей для при-менения в электронике ПП, является именно возможность упра-влять сопротивлением, делая его в зависимости от задачи больше или меньше. Таким образом – основной принцип работы ПП – управ-ление сопротивлением при помощи тока или напряжения. Физические принципы работы и устройства ПП очень сложны и требуют детального изучения, которое невозможно в рамках данной дисциплины. В радиотехнических специально-стях в ВУЗах часто вводится специальный предмет «Полупро-водниковые приборы». В данном пособии акцент будет сделан на основные принципы работы, параметры и применение ПП.
Полупроводниковые материалы
Как уже было сказано, в природе существует множество полупроводниковых веществ, но используется в электронике лишь несколько. Основным фактором в данном случае является технологичность: широкое распространение, стоимость добычи и т. д. Основные полупроводниковые материалы: - Кремний (Si) - Германий (Ge).
Это, безусловно, самые распространённые материалы. В середине ХХ века они были примерно одинаково популярны, но в настоящее время первенство, безусловно, принадлежит крем-нию, особенно в производстве ИМС.
Реже применяются другие вещества: - Арсенид галлия (GaAs) и другие соединения галлия. - Антимонид индия (InSb) и другие соединения индия.
Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход ( p-n переход ) – это область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости, т.е. один полупроводник n-типа, другой – p-типа. Работа большинства ПП основана на использовании одного или нескольких p-n переходов. К p-n переходу может быть приложено прямое или обрат-ное напряжение. Прямое напряжение – это напряжение, при котором к области p приложено положительное напряжение, а к области n – соответственно отрицательное (рисунок 2.2). Соот-ветственно, при обратном напряжении – полярность обратная: к области p приложен «-», а к области n – «+».
Физические процессы при этом таковы, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода I = f ( U ) имеет вид, изображённый на рисунке 2.3. Для обычного проводника ВАХ имеет вид прямой про-порциональности, показанный на рисунке штриховой линией, что соответствует закону Ома U=IR. Для математического описания ПП в виде формул обычно используется идеализированная функция ВАХ в виде экспоненты. Однако в реальных приборах она часто бывает далека от идеальной, что будет показано далее на примерах реальных ВАХ.
Рассмотрим график ВАХ. Она состоит из двух ветвей: прямой ветви (при Uпр, Iпр) и обратной (при Uпр, Iпр). В прямой ветви, как видно из графика, сопротивление перехода сначала (при малых напряжениях) относительно вели-ко, но при возрастании напряжения становится всё меньше (линия всё круче уходит вверх). В обратной ветви сопротивление перехода большое, затем (участок 1-2) оно уменьшается, отличаясь от идеальной ВАХ. При дальнейшем увеличении обратного напряжения наступает пробой p-n перехода. При повышении обратного напряжения происходит рез-кое возрастание обратного тока, характеризующее пробой p-n перехода (участок 2-4). Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. Электрический пробой (участок 2-3) является обратимым процессом. Это означает, что он не приводит к повреждению p-n перехода и при снижении напряжения его свойства сохраняются. Электрический пробой может быть лавинным и туннельным. При этом пробое образуются допол-нительные носители заряда, что вызывает резкое возрастание тока. Тепловой пробой (участок 3-4) возникает за счет интен-сивной термогенерации носителей заряда при недопустимом повышении напряжения. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает повышение обратного тока и, следова-тельно, еще больший разогрев участка p-n перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Возможность теплового пробоя учитываются указани-ем в справочнике.
Изменение ВАХ p-n перехода, а следовательно и режи-мов работы электронных схем при изменении температуры является одной из основных проблем при проектировании схем на ПП. Полупроводниковые диоды
Общие сведения
Полупроводниковый диод (далее просто «диод») – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (рисунок 2.5). По аналогии с радиолампами электро-ды называются анод (вывод от области p) и катод (от области n).
Таким образом, рассматривая ВАХ перехода, все её участки, мы, фактически, уже рассматривали устройство диода. Рассмотрим далее основные типы диодов.
Выпрямительные диоды
Условное обозначение диода как бы символизирует стрелку, указывающую направление тока, текущего через диод. Для непрофессионала это понятно так: в одну сторону диод свободно пропускает ток, в другую – не пропускает совсем. Однако из характеристик на рисунках 2.3 и 2.4 понятно, что это не совсем так. Даже в прямом направлении при малых напряже-ниях сопротивление диода достаточно велико и лишь потом ста-новится малым. Реальная ВАХ диода показана на рисунке 2.7. Характерным является прямое напряжение 0, 4-0, 7 В – именно при этом напряжении сопротивление диода резко уменьшается, диод «открывается». Обратите внимание: в справочниках на графиках часто используют разный масштаб для прямой и обратной ветвей, так как обратный ток значительно меньше и, в противном случае, не был бы ясно виден на графике. На прямой ветви ток отсчитыва-ется в мА, а на обратной – в мкА. В связи с этим в точке 0 график имеет характерный изгиб.
Выпрямительные диоды – самый распространённый вид диодов и, когда говорят «диод», то по умолчанию имеют в виду именно «выпрямительный диод». Выпрямительные диоды по отечественному ГОСТу обозначаются буквой Д, например: КД109. Пример маркировки можно видеть и на рисунке 2.6 – КД2994А.
Некоторые основные справочные параметры выпрями-тельных диодов: - прямое напряжение (U пр); - обратное напряжение (U обр); - прямой ток (I пр); - обратный ток (I пр); - полоса пропускания (максимальная рабочая частота, f).
Рассмотрим схемы выпрямителей на диодах. Простейшая схема имеет название «Однополупериодный выпрямитель». Схема и временные диаграммы показаны на рисунке 2.8.
Если на вход подать синусоидальный переменный сигнал, то на выход (на нагрузку Rн) будет проходить только та половина сигнала, которая имеет положительную полярность. Отрицательная полуволна будет проходить очень слабо, так как диод всё же, даже при обратном включении, будет иметь хоть и большое, но не бесконечное сопротивление. Недостаток схемы очевиден: фактически при этом теряет-ся половина мощности сигнала, что явно неэффективно, хотя в некоторых случаях это может быть и не так важно.
Гораздо лучше использовать двухполупериодный вы-прямитель. На рисунке 2.9 изображена мостовая схема выпря-мителя из 4-х диодов. Это наиболее распространённая схема выпрямления, используемая в простых блоках питания. В этом случае видно, если проанализировать схему, что открывается то одна, то другая пара диодов. Таким образом, ток проходит в течение обоих полупериодов. Ток такой формы называется пульсирующим. Совет для запоминания схемы: пара диодов направлена к «+» выходного напряжения, вторая пара – от «-». Выпускаются промышленно выпрямительные блоки, состоящие из 4-х диодов в одном корпусе, что является очень удобным. Они обозначаются буквой Ц – например: КЦ405.
Стабилитроны
Стабилитроны (в зарубежной литературе называются «диоды Зенера») – это особый тип диодов, используемых для стабилизации напряжения. Основной особенностью стабилитро-нов является то, что их напряжение в области электрического пробоя слабо зависит от тока. На рисунке 2.9 показаны условное обозначение и ВАХ стабилитрона.
Как видно из рисунка, рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь, а именно – участок электрического пробоя, где линия ВАХ идёт практически вертикально (в отличие от ВАХ обычных диодов, показанную на рисунке 2.7).
Стабилитроны обозначаются буквой С, например: КС156.
Основные справочные параметры стабилитронов: - напряжение стабилизации Uст (на рисунке – Uпробоя); - максимальный и минимальный токи стабилизации (I ст.max и I ст.min). В этих пределах тока обратное напряжение при-мерно постоянно – это основной участок работы стабилитрона. - максимальная рассеиваемая мощность (Pm ax); - дифференциальное сопротивление rдиф=dUст/ d Iст). Это сопротивление характеризует наклон ВАХ на участке стаби-лизации, отклонение от вертикали. Может быть как положитель-ным, так и отрицательным. - температурный коэффициент напряжения (ТКН), показывающий, на сколько процентов изменяется Uст при изме-нении температуры на 10С. Практически всем электронным устройствам необходимо постоянное напряжение питания в пределах единиц-десятков вольт. В то же время, как известно, промышленное напряжение сети 220 В является переменным. Поэтому всем электронным устройствам необходим блок питания (БП), формирующий нужное постоянное напряжение. Правильно в литературе его называют «источник вторичного электропитания». Тема блоков питания требует отдельного рассмотрения, включая их класси-фикацию, параметры и т.д. В данном параграфе рассмотрим, как в этом может помочь стабилитрон.
Такой БП включает в себя:
1) Понижающий трансформатор (Tr) – преобразует высокое напряжение 220 В в более низкое (примерно равное нужному постоянному напряжению). 2) Выпрямитель – в схеме представляет собой рассмот-ренный ранее диодный мост (VDS). 3) Сглаживающий фильтр (С1) - представляет собой фильтр нижних частот (см. тему «Фильтры»). 4) Стабилизатор напряжения – построен на резисторе R и стабилитроне VD. Обратите внимание на правильность полярности подклю-чения стабилитрона: поскольку рабочим участком является об-ратная ветвь, то полярность от «-» к «+». На рисунке 2.9 показаны временные диаграммы, описы-вающие работу блока питания. Напряжение U1 – это понижен-ное переменное напряжение с выхода трансформатора. С выхо-да диодного моста оно преобразуется в однополярное – пульси-рующее - U2. После подключения конденсатора напряжение сглаживается - U3.
 При подключении стабилизатора напряжения – оно уже имеет вид, близкий к постоянному - U4. Выходное напряжение будет определяться напряжением стабилизации Uст стабилитрона VD.
Для стабилизации напряжения обоих полярностей можно применить два встречно включённых стабилитрона. Выпускают-ся также двуханодные или двусторонние стабилитроны, пока-занные на рисунке 2.10. Это просто два стабилитрона в одном корпусе.
Варикапы
Варикапы (другое название – параметрические диоды ) – это диоды, в которых существует зависимость ёмкости от обратного напряжения: C= f ( U обр ). Название это сложилось из начальных букв английского VARIable C A P acitor – переменный конденсатор. Условное обозначение варикапа показано на рисунке 2.11. Оно как бы символизирует диод и конденсатор вместе.
Варикапы используются в качестве конденсаторов пере-менной ёмкости, у которых ёмкость управляется напряжением. Казалось бы, это гораздо удобнее в электронной схеме, чем использовать традиционные переменные конденсаторы, у кото-рых ручкой механически перемещаются пластины. На самом деле варикапы используются редко. Проблема в том, что они имеют очень малую ёмкость – не более 1нФ, а чаще – намного меньше. В то же время ёмкость конденсаторов в схемах должна составлять микрофарады, а то и тысячи мкФ.
Варикапы обозначаются буквой В, например – КВ121.
Справочные параметры варикапа: - Ёмкость при заданном обратном напряжении. Обычно составляет десятки-сотни пФ. - Коэффициент перекрытия по ёмкости KC = Cmax/Cmin – отношение максимальной ёмкости к минимальной при измене-нии обратного напряжения U обр. Составляет несколько единиц (до 10). - Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), пока-зывающий, на сколько процентов изменяется ёмкость при изме-нении температуры на 10С.
Туннельные диоды
При изготовлении туннельных диодов используют полу-проводники с очень высокой концентрацией примесей и, следо-вательно, с высокой проводимостью (в тысячи раз больше обыч-ной). При этом в полупроводнике возникает туннельный эф-фект, благодаря чему его ВАХ имеет вид, показанный на рисун-ке 2.12.
Характерными особенностями ВАХ являются наличие пика (точка А), впадины (точка В) и участка с отрицательным сопротивлением (АВ). Почему сопротивление считается отрицательным, хотя и ток и напряжение положительны? В данном случае имеется в виду сопротивление переменному току – при возрастании напряжения ток уменьшается. Это позволяет использовать тун-нельные диоды для усиления и генерации колебаний. Туннельные диоды обозначаются буквой И и обычно изготавливаются из арсенида галлия. Пример: АИ201. Основные справочные параметры: - Токи пика (Iп) и впадины (Iв). - Напряжения пика (Uп) и впадины (Uв). - Напряжение раствора (Uрр). В настоящее время туннельные диоды применяются редко, а уж в вычислительной технике – тем более.
Светодиоды
В светодиодах при протекании прямого тока происходит излучение света в видимом диапазоне. Условное обозначение показано на рисунке 2.13. Английское название – LED – Light Emitted Diod.
Рисунок 2.13 – Обозначение светодиода в схеме
Светодиоды обозначают буквой Л. Пример: АЛ341Б. Для изготовления обычно используют фосфид галлия (GaP) или карбид кремния (SiC), хотя возможно использование и других материалов. Основные параметры светодиодов: - Номинальный и максимальный прямые токи. - Цвет излучения (или длина волны). - Яркость (Кл/м2). - Сила света (мкКд или мКд).
Светодиоды очень широко применяются в настоящее вре-мя в качестве индикаторов, имея много достоинств. В ХХ веке в учебниках писалось, что недостатком светодиодов является недостаточная яркость, однако в последние десятилетия техно-логия шагнула далеко вперёд и сейчас светодиоды используются в фонариках, светофорах и пр., что ранее было немыслимо. Раньше промышленностью выпускались светодиоды лишь нескольких цветов: красного, зелёного, жёлтого. В настоя-щее время они бывают практически любого цвета. Существуют также инфракрасные светодиоды.
Фотодиоды
Если глубоко не вдаваться в теорию, - фотодиод преобра-зует попадающий на него свет в напряжение. В фотогальвани-ческом режиме это происходит без внешнего источника энер-гии и фотодиод сам является источником ЭДС и может вызы-вать небольшой прямой ток. Однако гораздо более распространённым является фотодиодный режим – при на диод подаётся обратное напряже-ние от внешнего источника. В этом случае существует линейная зависимость обратного тока от освещённости. Обозначение фотодиода показано на рисунке 2.14. Оно отличается от свето-диода только направлением стрелок и интуитивно понятно. Обозначаются фотодиоды буквами ФД.
Рисунок 2.14 – Обозначение фотодиода
Биполярные транзисторы
Общие сведения
Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) – полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода и три вывода – от каждой из трёх областей полупроводника. Название «биполярный» связано с тем, что в работе такого транзистора используются носители заряда обоих знаков: и электроны, и дырки. Средняя область имеет один тип проводимости и называ-ется база, а две крайние – другой тип проводимости. Называют-ся они эмиттер и коллектор. Таким образом, возможны два варианта структуры: p-n-p или n-p-n. Структура транзистора и условное обозначение показаны на рисунке 2.15. Слева – транзи-стор типа p-n-p, справа - n-p-n. Электрод со стрелкой – эмиттер. Раньше дискретные транзисторы нужно было обводить кружком, а в составе микросхем – без кружка. Кружок как бы символизирует корпус прибора. Но уже много лет можно ни в каких схемах кружок не рисовать, хотя и обозначение в кружке тоже является правильным.
В данных рисунках в структуре транзистора эмиттер и коллектор равноценны. Однако конструктивно они существенно отличаются: коллектор имеет существенно большую площадь, чем эмиттер и концентрация ПНЗ в них разная. База является очень тонкой плёнкой, которая в данном масштабе рисунка была бы просто не видна. Возможные варианты конструктивного устройства бипо-лярного транзистора показаны на рисунке 2.16, хотя и в них масштаб, естественно, не соблюдается.
Рисунок 2.16 – Конструкция биполярного транзистора
Биполярные транзисторы обозначаются буквой Т. Напри-мер, популярный транзистор: КТ315Г.
Режимы работы транзистора
В зависимости от полярностей напряжений, подаваемых на электроды, выделяют следующие основные режимы работы транзистора: 1) Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подаётся прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Полярности для транзистора n-p-n показаны на рисунке 2.17.
Ещё раз вспомним: при прямом напряжении на переходе к области p приложен «+», к области n – «-». При обратном напряжении – наоборот. Ясно, что для транзистора типа p-n-p полярности напряжений в активном режиме будут обратными. Инженеры практически часто это понимают так: на базе должно быть напряжение, среднее между коллектором и эмиттером. Активный режим является основным режимом работы транзистора. Физика процессов в активном режиме довольно сложна, но главное: в этом режиме выполняются соотношения: I э = I к + I б, I э ≈ I к, I э > > I б Ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы. При этом токи коллектора и эмиттера примерно равны и значительно превосходят тока базы (в десятки-сотни раз). Ещё одно важнейшее соотношение: в активном режиме ток коллектора пропорционален току базы. I к ~ I б Таким образом, управляя током базы, можно изменять ток коллектора (усиливать его). Подробно это будет далее рассмотрено в разделе «Усилители».
2) Режим насыщения. В этом режиме на оба перехода подаётся прямое напря-жение. При этом транзистор можно представить в виде двух от-крытых диодов (рисунок 2.18). Транзистор практически можно заменить двумя диодами, чего никак нельзя сделать в активном режиме.
Здесь никаких особых тонкостей нет – при такой подаче напряжений оба диода открыты и через них протекают соответ-ствующие токи, достаточно большие. Говорят, что «транзистор открыт». Такой режим используется в ключевом режиме. Это будет рассмотрено при изучении построения цифровых логических элементов.
3) Режим отсечки (или запирания ). В данном режиме наоборот: на оба перехода подано обратное напряжение. Транзистор функционирует как два за-крытых диода (транзистор закрыт). Соответственно, токи через электроды минимальны (рисунок 2.19).
В рассмотренных вариантах недостаёт ещё одного режи-ма, при котором на эмиттерных переход подаётся обратное напряжение, а на коллекторный – прямое. Это инверсный активный режим. Он является неэффективным и не использует-ся, так как при этом усиление транзистора будет намного мень-ше из-за конструктивной разности эмиттера и коллектора о чём говорилось выше. Схемы включения транзистора
В большинстве случаев транзистор включается в схему как четырёхполюсник (рисунок 2.20)
На один электрод подаётся входной сигнал, с другого электрода снимается выходной сигнал. Третий электрод являет-ся общим для входной и выходной цепей. В зависимости от названия общего электрода существует три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Рассмотрим эти схемы в активном режиме. Впоследствии в теме «Усилители» будет показано, что каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки.
Схема с общим эмиттером.
Схема с ОЭ показана на рисунке 2.21 (для транзистора типа n-p-n слева, для p-n-p – справа). Входной сигнал подаётся на базу, выходной – снимается с коллектора. Эмиттер является общим.
Рассмотрим направления токов и полярности напряже-ний. Здесь полезно помнить следующее правило: стрелка на эмиттере показывает направление тока в активном режиме. При этом ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, как уже было указано ранее. Таким образом, для транзистора типа n-p-n ток эмиттера вытекает из транзистора, следовательно, токи базы и коллектора втекают (по 1-му закону Кирхгофа – сумма втекающих токов равна сумме вытекающих). Соответственно, из этого следуют полярности напряжений. Входное напряжение: U бэ - на базу подаётся «+», выходное напряжение: U кэ – на кол-лектор подаётся «+». Очевидно, для транзистора p-n-p (на рисунке справа) на-правления токов и полярности напряжений будут противопо-ложны: ток эмиттера втекает, токи базы и коллектора – соответ-ственно вытекают и т. д. Аналогично рассматриваются и следу-ющие схемы.
Схема с общей базой.
Схема с ОБ показана на рисунке 2.22 (для транзистора типа n-p-n слева, для p-n-p – справа). Входной сигнал подаётся на эмиттер, выходной – снимается с коллектора. База является общим проводом.
Схема с общим коллектором.
В схеме с ОК (рисунок 2.23) входной сигнал подаётся на базу, выходной снимается с эмиттера, а коллектор является общим.
Наиболее распространённой схемой является схема с ОЭ. Причины этого будут рассмотрены в теме «Усилители».
Полевые транзисторы
В отличие от биполярных транзисторов, которые управ-ляются входным током, полевые транзисторы управляются входным напряжением, т.е. электрическим полем, из чего следу-ет их название – «полевые». В создании тока в полевых транзи-сторах участвуют носители заряда одного знака, в связи с чем существует и их другое название – «униполярные» («уни-полярные» – то есть: «одно-полярные», «би-полярные – «двух-полярные»). Полевые транзисторы обозначаются буквой П, например: КП305А. Как и биполярные, полевые транзисторы имеют три элек-трода: сток, исток и затвор. В определённом смысле затвор – управляющий электрод – является аналогом базы, исток – аналогом эмиттера, сток – коллектора. Полевые транзисторы аналогично имеют три схемы включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и об-щим затвором (ОЗ). Схема с ОЗ практически не используется, но теоретически существует. Существует несколько типов полевых транзисторов, рас-смотрим их устройство и принцип действия.
2.4.1 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом
Может также называться « полевой транзистор с затво-ром в виде p-n перехода » или проще: « полевой транзистор с p-n переходом. Полевые транзисторы появились позже биполярных. Принцип работы их в принципе проще, поэтому его можно рас-смотреть детальнее. Самая популярная схема включения – схема с ОИ. На рисунке 2.26 показан в разрезе транзистор и напряжения на его контактах. Транзистор состоит из кристалла полупроводника (в данном случае типа n), от которого идут выводы: сток и исток. Создана также область полупроводника типа p, от кото-рой идёт затвор. Рассмотрим сначала случай, когда на затвор не подаётся напряжение. При подаче напряжения между стоком и истоком Uси через область n полупроводника будет протекать ток. Область, в которой течёт тока, называется канал. Данный тран-зистор называется – «с каналом n-типа».
Рисунок 2.26 – Транзистор с управляющим p-n переходом с каналом n-типа
При подаче отрицательного напряжения на затвор Uзи< 0, к p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Таким образом, область перехода расширяется (на рисунке она показа-на штриховой линией). При этом канал сужается и его сопротив-ление становится больше, а, следовательно, ток через канал будет уменьшаться. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Отличительной особенностью полевых транзисторов яв-ляется высокое входное сопротивление (между затвором и исто-ком), вследствие чего ток через затвор очень мал и практически им можно пренебречь. Таким образом, токи стока и истока примерно равны, то есть: Ic≈ I и. Рассмотрим семейство выходных (стоковых) ВАХ данно-го транзистора Ic = f ( U си ) при U зи = const (рисунок 2.27).
Основной рабочий участок – это область насыщения, при U си > U нас (или на рисунке обозначено - U отс). При Uзи=0 ток стока максимален (он называется Iс нач – начальный ток стока). При увеличении модуля отрицательного напряжения на затворе ток стока пропорционально уменьшается из-за сужения канала. При достижении определённого напряже-ния ток совсем прекращается. Надо заметить, что в реальных ВАХ многих транзисто-ров, линии расположены не на одинаковом расстоянии, в отли-чие от того, как это показано на рисунке. Линии ВАХ идут под очень малым углом, практически горизонтально, что говорит о малом выходном сопротивлении схемы. При малых напряжениях на стоке (линейная область) сужение канала незначительно и ток стока Ic практически прямо пропорционален напряжению U си. Это свойство часто использу-ется при изготовлении микросхем для получения резисторов в кристалле полупроводника.
Пример реальной ВАХ из справочника показан на рисун-ке 2.28. Здесь уже линии расположены не на одинаковом рассто-янии друг от друга.
Рисунок 2.28 – реальные выходные ВАХ полевого транзистора
Всё это было рассмотрено для транзистора с n-каналом. Совершенно аналогично всё это применяется и для транзистора с p-каналом, у которого затвор представляет область n. В этом случае полярности напряжений противоположны и на вход подаётся положительное напряжение Uзи< 0. Существуют также стоко-затворные характеристики: Ic = f ( U зи ) при U си = const, которые используются значительно реже. Схемные изображения полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода показаны на рисунке 2.29. Здесь также тран-зистор можно рисовать в кружке или без кружка. Затвор рисуется напротив истока – обратите внимание. Стрелка, идущая к затвору, означает транзистор с n-каналом (на рисунке – слева), стрелка от затвора – с p-каналом (справа).
Тиристоры
Применение тиристоров
Все типы тиристоров используются в качестве бескон-тактных коммутаторов – управляемых ключей для замыкания и размыкания цепей. В этом смысле во многих устройствах они заменили электромагнитные реле, в которых при подаче напря-жения срабатывает электромагнит, притягивая механические контакты и тем самым их замыкая.
В сравнении с реле тиристоры, безусловно, обладают явными преимуществами.
1) Высокая надёжность. Реле, безусловно, один из самых ненадёжных электрон-ных компонентов (как и все электромеханические устройства, в которых есть движущиеся части). Многие реле гарантируют лишь несколько тысяч переключений, что, конечно, очень мало. В противовес этому, тиристоры не имеют никаких движу-щихся контактов, которые изнашиваются, и могут работать очень длительное время.
2) Время переключения. Реле имеют время переключения в лучшем случае не-сколько миллисекунд и это очень много! В нынешних вычисли-тельных схемах требуется время переключения ключа в доли наносекунд, что в миллионы раз меньше. Между прочим, некоторые первые ЭВМ в качестве пере-ключателей для построения логических элементов использовали реле, но эти времена давно прошли. Тиристоры тоже имеют довольно большое время пере-ключения – о наносекундах тут говорить не приходится. Как было сказано при рассмотрении параметров тиристоров, время включения/выключения составляет десятки микросекунд.
Таким образом, в вычислительной технике тиристоры не используются. Гораздо большее распространение они имеют в управлении мощными электротехническими системами: элек-трическими подстанциями, электровозами, рентгеновскими ап-паратами и т.д. Существуют тиристоры, имеющие токи в тысячи ампер! Выглядят они достаточно внушительно (рисунок 2.36). Таким образом, более важное значение имеет изучение тиристоров для электротехнических специальностей – электро-снабжения предприятий, электрических машин и пр.
Рисунок 2.36 – Мощный тиристор
Полупроводниковые приборы |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-04; Просмотров: 434; Нарушение авторского права страницы
Рисунок 2.27 – Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом
