На рисунке показана вольтамперная характеристика такого перехода, из которой видным нелинейные свойства p-n-перехода.
Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной.
Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости.
Следовательно, полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается.
Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т.е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.
Явление ударной ионизации состоит в том, что при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны.
Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
Обратный ток в сильной мере зависит от температуры.
Падение напряжения в прямом направлении от температуры зависит слабо.
При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.
Следует различать электрический и тепловой пробой р-n-перехода.
Электрический пробой, области которого соответствует участок АБВ характеристики, является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа в режиме электрического пробоя допустима.
Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны - работают на участке БВ характеристики.
Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в р-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей.
Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.
Области теплового пробоя соответствует участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима р-n-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковые диоды используются в современной технике для выпрямления переменного тока. В полупроводниковом диоде используется свойство p-n перехода.
На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через p-n переход. В следующую половину периода ток равен нулю.
Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ путем сплавления полупроводников. Наибольшее распространение получили германиевые и кремниевые диоды.
В полупроводниковом германиевом диоде катодом служит германий, а анодом – индий.
Полупроводниковый диод имеет целый ряд преимуществ перед электронными двухэлектродными лампами (экономия энергии для получения системой тока, миниатюрность, высокая надежность, большой срок службы, не надо дополнительного источника для нити накаливания).
Недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работают (приблизительно от -70 до +125˚С).
ДОБАВИТЬ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Мостовая схема выпрямления
Получила наибольше распространение на практике.
Достоинством мостовой схемы является то, что ток течет через нагрузку в оба полупериода питающего напряжения.
Транзистор
Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.
(англ. transfer – переносить, resistor – сопротивление)
Транзистор образует три слоя примесных полупроводников, два p-n (или n-p) перехода: эмиттер, база, коллектор.
Средняя, регулирующая силу тока в транзисторе, часть кристалла называется база и имеет очень малую толщину(10 мкм), крайние – эмиттер и коллектор.
В зависимости от чередования n и p-полупроводников различают n-p-n и p-n-p транзисторы.
Стрелка на условном изображении транзистора направлена по току основных носителей заряда между эмиттером и базой.
Если транзистор не включен в электрическую цепь, то на p-n-переходах образуются запирающие слои.
При включении n-p-n транзистора в цепь, на n-p-переход эмиттер-база подается небольшое прямое напряжение UБ, а на p-n-переход база-коллектор обратное напряжение UК.
При прямом включении напряжения UБЭ свободные электроны из эмиттера диффундируют в базу и благодаря ее малой толщине почти все достигают коллекторного перехода (IБ << IЭ)
Под действием положительного потенциала источника UКЭ электроны притягиваются к коллектору, так что через сопротивление нагрузки RН протекает ток IК ≈ IЭ.
Сила тока IК, протекающего через коллектор (и соответственно через сопротивление нагрузки) значительно превышает силу тока IБ через базу.
Сила тока, ответвляющегося в цепь базы из эмиттера, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости во много раз меньше сечения в вертикальной плоскости.
Небольшая сила тока через базу вызывает значительную силу тока в нагрузке, поэтому транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов.
Напряжение на сопротивлении нагрузки RН значительно превышает напряжение между базой и эмиттером:
UН = IКRН >> UБ
Сила тока в коллекторе практически равна силе тока в эмиттере и изменяется вместе с током эмиттера.
Сопротивление резистора RН мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим.
Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в цепь базы, получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.
При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление по напряжению.
Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность входного сигнала.
Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока
β =
Изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.
Обычные биполярные транзисторы изготавливают по сплавной технологии, что и полупроводниковые диоды.
Кроме биполярных широко используются так называемые полевые транзисторы, управление током в которых производится не управляющим током базы, а электрическим полем.
Недостатки транзисторов те же, что и полупроводниковых диодов. Они чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям.
Усилитель на транзисторе
Одной из наиболее распространенных схем усиления слабых электрических сигналов на транзисторе, является схема с общим эмиттером.
Эмиттер включен как в цепь базы, так и в цепь коллектора.
Небольшое изменение входного напряжения цепи база-эмиттер DUвх = DUБЭ вызывает значительное изменение выходного напряжения, или напряжения на сопротивлении нагрузки DUвых = DUн
Коэффициент усиления – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного:
k =
Коэффициент усиления подобных схем может быть порядка 1000.
Генератор на транзисторе
Электрические колебания высокой частоты получают с помощью генераторов на транзисторах.
Основным элементом такого генератора является колебательный контур и источник постоянного тока, включенные в цепь эмиттер-коллектор, катушка индуктивности Lсв в цепи база-эмиттер, индуктивно связанная с катушкой индуктивности L колебательного контура .
Собственные электромагнитные колебания в контуре являются затухающими. Если потери энергии в контуре компенсировать поступлением энергии от источника внутри системы, то возможна генерация незатухающих колебаний, или автоколебаний.
В показанной схеме генератора на транзисторе поступление энергии в контур (подзарядка конденсатора) происходит, когда между базой и эмиттером приложено напряжение в прямом направлении – плюс – к базе, минус – к эмиттеру, транзистор открыт и через него протекает ток.
Такая полярность напряжения UБЭ обеспечивается согласованной индуктивной связью катушек L контура и Lсв в цепи база-эмиттер. Подобная связь называется обратной связью (в данном случае – это положительная обратная связь) (См.выше Автоколебания)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
