Основным параметром C явл. U стабилизации Uстаб и температурный коэффициент U ТКН, характеризующий изменение U на C при изменении температуры (t) на 1˚С, при постоянном токе.
ТКН может принимать, как положит., так и отриц. значения в зависимости от влияния t на U пробоя Uпроб. Для низковольтных С, кот. выполняются из низкоомных полупроводников, пробой имеет туннельный характер, а т.к. вероятность туннельного перехода электронов возрастает с увеличением t, т.е. Uпроб падает, то низковольтные C имеют отриц. ТКН.
Для высокоомных стабилитронов ТКН положителен.
где U – напряж. на диоде, T – температура.
Действие варикапов (В) основано на использовании емкостных свойств р-п перехода.
Обычно используется зависимость величины барьерной емкости Сзар от U в области обратных напряжений. В общем виде зависимость величины зарядной емкости от U имеет вид;
Сзар≈А(φк-U)-υ,
где А – постоянная,
φк – высота потенциального барьера,
U – внешнее напряжение,
υ = 1/2 – для резких переходов,
υ = 1/3 – для плавных переходов.
рис. 1.
Эта зависимость изображена на рис. 1, где сплошной линией показана характеристика плавного перехода, а пунктирной – резкого перехода.
(В) могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется В, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического U подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью U и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.
Очевидно, что в качестве управляемой емкости может работать любой полупроводниковый диод, при условии, что величина его зарядной емкости достаточно велика. К специальным параметрическим диодам, работающим в параметрических усилителях на высоких и сверхвысоких частотах, предъявляются повышенные требования: они должны обладать сильной зависимостью емкости от U и малым значением сопротивлением базы для повышения максимальной рабочей частоты.
В высокочастотных полупроводниковых диодах так же, как и в выпрямительных диодах, используется несимметричная проводимость p-n перехода.
Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные диоды (до сотен МГц), и подразделяются на универсальные и импульсные. Универсальные ВЧ диоды применяются для получения высокочастотных колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по амплитуде высокочастотных колебаний – колебаний с частотой модуляции (детектирование), для преобразования частоты. Импульсные диоды применяются как переключающий элемент в импульсных схемах.
При работе полупроводникового диода на высокой частоте большую роль играет емкость перехода, обусловливающая инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления
Кроме того, эффективность выпрямления снижается за счет того, что часть подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы.
Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы.
Требования уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим уменьшения площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае, если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя. Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое – в закрытом, и мгновенно переходить из одного состояния в другое. В реальном случае при переключении ВЧ диода из закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течение некоторого времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению формы переключаемых импульсов.
При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au, Cu, Ni), что снижает время жизни неравновесных носителей заряда. Толщина n-области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время жизни неравновесных носителей, и сопротивление базы. Конструктивно в.ч. диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень малой площадью перехода.
Бип. тр-ром (БТ) наз-ся электропреобразовательный полупроводниковый (ПП) прибор, имеющий два взаимодействующих перехода. Тр-р представляет собой кристалл ПП, содержащий 3 области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различ. БТ типов p-n-p и n-p-n. Принцип действия БТ различных тип. одинаков. Тр-ры получили назв. бипол., т.к. их работа обеспеч-ся носителями зарядов двух типов основными и неосновн.
Схематическое устр-во и условн. графич. обознач. p-n-p и n-p-n тр-ров показ. на рис. 1.
Одну из крайних областей тр-ной структуры создают с повыш. концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и наз. эмиттером. Среднюю область наз. базой, а крайнюю обл. – коллектором. Два перехода БТ наз. эмиттерным и коллекторным.
В завис. от того, какой электрод имеет общую точку соедин-я со вх. и вых. цепями, различ. 3 способа включ. тр-ра: с ОБ, ОЭ и ОК. Электрич. парам-ры и хар-ки БТ существенно различ-ся при разных схемах вкл.
По режимам работы p-n перехода различают 4 режима работы тр-ра:
1. Активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Этот режим работы явл. обычным усилительным, при котором искажения сигнала min.
2. Режим насыщения – оба перехода откр. Падение U на откр. эмит. и колл. переходах напр. встречно, однако I в цепи Э-К проходит в одном напр., напр. от К к Э в тр-ре n-p-n типа (рис. 2.а). Тр-р работает в реж. насыщ. при относит. больших токах базы. Инжекции электронов в Б при этом становится столь сильной, что цепь К становится неспособной извлекать избыточные электроны из Б также эффективно, как в активном режиме. Концентрация электронов в Б у колл. перехода становится сравнимой с концентр. их у эмитт. перехода (рис. 2.b), что соотв-ет прямой полярности U на колл. переходе.
рис. 2.
3. Режим отсечки оба перехода закрыты. Он характ-ся очень малыми I ч/з запертые переходы тр-ра.
4. В инверсном реж. эмитт. переход закр., а колл. откр., т.е. Т вкл. «наоборот»: К работает в качестве Э, Э в качестве К.
Параметры БТ.
В справочниках приводятся основные и предельные параметры тр-ра.
К основным пар. относятся:
1. Емкость колл. перехода Ск;
2. Коэфф. усиления (передачи) по току h21Э;
3. Обратный I колл. перехода при включенном эмитт. Iкб0;
4. Предельная частота fa;
5. Сопротивление базы Rб.
Статические хар-ки представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между I, протекающими в транзисторе, и U на его p-n-переходе при Rн = 0.
Вх. и вых. I и U различны для различных схем включения транзистора. Каждая из схем включения может быть охарактеризована четырьмя семействами статич. хар-тик. Практически обычно пользуются вх. и вых. характеристиками для схем с ОБ и ОЭ.
Рассм. ход статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, ход которых показан на рис. 1
Вид хар-ки, снятой при Iэ=0, соответствует обратной ветви ВАХ одиночного p-n-перехода. В этом случае Iк=Iк0, где Iк0 – нулевой коллекторный ток.
Если Iэ > 0, то значения I коллектора увеличиваются за счет носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу. В этом случае коллекторный I протекает и при Uкб = 0. Для того, чтобы уменьшить значение колл-го I до 0, необходимо подать на колл-ный переход прямое U, при этом потенциальный барьер перехода снизится, и навстречу потоку неосновных носителей заряда потечет поток основных носителей заряда; при равенстве этих потоков колл-ный ток Iк равен нулю.
При увеличении обратного U на коллекторе снятые хар-ки, имеют небольшой подъем, т.е. Iк, возрастает при увеличении U на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением обратного коллекторного U растет ширина коллекторного перехода (в основном в сторону базы), уменьшается рекомбинация неосновных носителей в толще базы, уменьшается рекомбинационная составляющая I базы, и I коллектора Iк=Iэ - Iб при Iэ=const несколько растет. Хар-ки, снятые ч/з равные интервалы изменения I эмиттера, располагаются неравномерно: чем больше значения I эмиттерного перехода, тем ближе друг к другу располагаются хар-ки. Это объясняется тем, что возрастание эмиттерного I приводит к увеличению рекомбинации, а значит к уменьшению Iк.
При больших значениях Iк коллекторное напряжение возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе.
Большую роль в работе транзистора играет обратный неуправляемый I коллекторного перехода Iк0, кот. явл. частью Iк при любом значении Iэ. Т.к. Iк0 представляет собой ток неосновных носителей заряда, число которых непосредственно зависит от температуры, то его существование предопределяет температурную нестабильность работы транзистора.
Рассм. ход статических вх. хар-ик транзистора, вкл. по схеме с ОЭ Iб=F(Uбэ)|Uкэ=const.
В этом случае они имеют вид, показанный на рис. 1.
рис. 1
Рассм. ход хар-ки, снятой при Uкэ=0. Если на коллекторную p-область подан нулевой, а на базовую n-область – отрицательный потенциал (т.е. |Uкэ| < |Uбэ|), то коллекторный переход находится под прямым U, и через него протекает диффузионная составляющая I (ток основных носителей заряда), которая замыкается через базу.
Через эмиттерный переход, на кот. от батареи подается прямое U, также протекает диффузионная составляющая I, причем, т.к. подача Uкэ=0 для схемы с ОЭ означает короткое замыкание между колл. и эмитт., I эмиттера тоже замыкается через базу. При изменении Uбэ каждый из этих токов изменяется в соответствии с ходом прямой ветви ВАХ p-n-перехода. В базовом выводе эмиттерный и коллекторные токи протекают в одном направлении, т.е. Iб = Iэ + Iк и вх. хар-ка, снятая при Uкэ = 0, представляет собой прямую ветвь ВАХ двух параллельно включенных p-n-переходов.
Если вх. хар-ка снимается при каком-то значении обратного коллекторного U |Uкэ| > |Uбэ|, то на коллекторный переход подается обратное U. В этом случае I коллектора меняет свое направление, I эмиттера замыкается через цепь коллектора, и I базы является суммой двух противоположно направленных составляющих, рекомбинационной и тока I’к0.
При Uбэ=0 рекомбинационная составляющая тока базы Iэ(I-α())=0 и в цепи базы протекает только ток I’к0. После того, как на эмиттерный переход подано прямое напряжение Uбэ>0, появляются эмиттерный ток и рекомбинационная составляющая тока базы по величине меньшая, чем ток I’к0. В цепи базы протекает разностный ток. При увеличении Uбэ рекомбинационная составляющая растет, разностный ток I’к0 - Iэ(I-α()) уменьшается, и при Iэ(I-α())=I’к0 ток базы равен нулю. При дальнейшем увеличении Uбэ ток базы меняет свое направление, и в цепи базы протекает разностный ток уменьшается и при Iэ(I-α())-I’к0.
При увеличении обратного U коллекторного перехода вх. хар-ки сдвигаются от начала координат вправо и вниз.
Сдвиг хар-стик вниз объясняется тем, что значения I’к0 растут при увеличении обратного напряжения коллекторного перехода т.к. расширение перехода в сторону базы уменьшает рекомбинацию, в результате чего, увеличивается коэффициент передачи эмиттерного тока α(), и значения I’к0 растут.
Сдвиг хар-стик вправо объясняется тем, что уменьшение рекомбинационной составляющей тока базы и равенство Iэ(I-α())=I’к0 достигается при больших значениях Uбэ.
При работе транзистора с нагрузкой имеет место взаимное влияние друг на друга токов Iэ, Iк, Iб. Этот режим носит название динамического, а его характеристики – динамических.
Рассмотрим динамический режим транзистора, работающего по схеме с ОЭ (рис.1).
При работе транзистора совместно с нагрузкой Rн, включенной в цепь коллектора, напряжение источника питания Ек распределяется между нагрузкой и переходом коллектор-эмиттер (Uкэ): Ек=Uкэ+Iк·Rн, поэтому ток коллектора изменяется по линейному закону в соответствии с выражением Iк=(Ек-Uкэ)/Rн. Графическая зависимость Iк=f (Uкэ) представляет собой прямую линию, которая называется нагрузочной прямой. Для исследования свойств транзистора нагрузочную кривую наносят на семейство выходных характеристик (рис.2). Точка пересечения нагрузочной прямой с осью токов совпадает с точкой, для которой удовлетворяется условие Iк·Rн=Ек.
Параметры Z, У и Н наз-ся внешними параметрами, так как кроме свойств самого транзистора они зависят еще и от схемы включения (ОБ, ОЭ и ОК). Поэтому иногда более удобно при расчетах использовать схемы замещения.
Тр-р в этом случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из определенного кол-ва электрических элементов (сопротивления, индуктивности, емкости и т.д.). Однако одними пассивными элементами нельзя описать усилительные свойства тр-ра. Поэтому в эквивалентную схему вводится еще генератор ЭДС или тока.
Т-образную эквивалентную схему замещения легко получить из уравнений четырехполюсника для Z-параметров на низких частотах. Заменив в уравнениях:
Uвх=r11Iвх+r12Iвых; Uвых=r21Iвх+r22Iвых.
Uвх и Iвх через U1 и I1, а Uвых и Iвых соответственно через U2 и I2, будем иметь:
U1=r11I1+r12I2; U2=r21I1+r22I2.
Прибавив и отняв во втором уравнении r21I1, что не изменит равенства и, выполнив несложные преобразования, получим:
U1=r11I1+r12I2; U2=r21I1+r22I2+(r21-r12)·I1.
Первое уравнение и два первых члена второго уравнения являются уравнениями пассивного четырехполюсника. Т-образная схема замещения для него имеет вид, показанный на рис. 1.а.
рис. 1. Т-образная схема транзистора.
Усилительные свойства тр-ра определяются последним членом второго равенства EГ=(r21-r12)·I1. Величина этого ЭДС пропорциональна вх. току и не зависит от свойств внешн. цепи.
Эквив-ная схема с учетом последнего члена второго равенства представлена на рис. 1.b.
Иногда вместо генератора ЭДС в эквивалентную схему включают генератор тока. Несомненно, что создаваемый генератором ток также должен быть пропорционален току I1: IГ=a·I1, где a – коэфф. пропорциональности.
Эквивалентная схема с генератором тока показана на рис. 1.c.
Так как действия генератора тока и генератора напряжения равноценны, можно определить коэфф. a из схем рис. 1.b и 1.c при холостом ходе на выходе. Условие эквивалентности этих генераторов заключается в том, что падение напряж., создаваемого генератором тока на сопротивлении (r21-r12) (рис. 1.c), должно быть равно ЭДС генератора схемы на рис. 1.b:
(r21-r12)·I1=a·(r22-r12)·I1,
отсюда a=(r21-r12)/(r22-r12).
Приводимые в справочниках параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.
К электрическим параметрам относятся:
граничная частота fГр при заданных напряжении Uкэ и токе эмиттера;
статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ h21Э при заданных напряжении Uкэ и Iэ;
обратные токи переходов Iкб0, Iэб0 при заданных обратных напряжениях соответственно Uкб и Uэб;
обратный ток коллекторного перехода IкэR при заданных напряжении Uкэ и сопротивлении Rбэ резистора, включенного между базой и эмиттером;
емкости переходов Сэ, Ск при заданных обратных напряжениях (емкость Сэ часто приводится также при Uбэ=0).
Корме перечисленных выше общих электрических параметров в зависимости от назначения транзистора указывают ряд специфических параметров.
Для усилительных и генераторных транзисторов помимо граничной частоты обычно приводятся постоянная времени цепи обратной связи τк при заданных напряжении Uкб, токе Iэ и частоте f, а также максимальная частота генерации fmax при заданных напряжении Uкб, токе Iэ.
Зная значение τк, можно оценить коэффициент обратной связи |h21Э( f )|=2 π f τк.
Для переключающих и импульсных транзисторов указывают напряжения в режиме насыщения Uбэ нас, и Uкэ нас, и время рассасывания tрас, при заданных токах Iк нас, и IБ.
Страницы: 1, 2, 3, 4
