Принцип действия транзистора pnp-типа. 1 страница

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Чернышев А. Ю. Электронная и микропроцессорная техника: учебное пособие / А.Ю. Чернышев, Е.А. Шутов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 135 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для вузов.- М.:

Высшая школа, 1991.- 622 с.

3. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники.- М.: Высшая школа, 1996.- 460 с.

а) инжекция;
б) диффузия;
в) рекомбинация;
г) втягивание.
Пусть к коллектору приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, тогда в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток. Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда – дырок базы и электронов коллектора. Величина этого тока зависит только от температуры полупроводника. При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается (сопротивление перехода уменьшается). Дырки из p-области инжектируются в базу так как в базе незначительное количество примесей, то дырки свободно перемещаются к коллекторному переходу, но часть дырок рекомбинирует с электронами базы, создавая в базовой цепи небольшой ток. Остальные дырки, пройдя к коллекторному переходу, под действием большого электрического поля перебрасываются через переход (втягиваются) в коллекторную область, где попадают в сильное ускоряющее поле. В результате в цепи коллектора начинает протекать ток. Таким образом, в транзисторе протекают три ток:
- ток эмиттера (входной);
- ток базы;
- ток коллектора (выходной)
причём выходной ток составляет часть входного.

- коэффициент усиления по току в схеме с общей базой.

· Статическим режимом работы транзистора называется такой режим работы, при котором во входной цепи отсутствует источник сигнала, а в выходную цепь включают только источник питания без нагрузки.
Этот режим характеризуется статическими характеристиками.
Статическими характеристиками называют графически выраженные зависимости между токами и напряжениями на входе и выходе транзистора. Они снимаются при постоянном напряжении на одном из электродов или при постоянно токе в цепи одного из электродов.
Характеристики транзистора, включённого по схеме с общей базой.
Характеристика транзистора, включённого по схеме с общей базой:

Входная характеристика:
ВХ - это зависимость тока эмиттера от изменения напряжения на эмиттерном переходе, при постоянном напряжении на коллекторе.
Iэ=f(Uбэ) при Uкб=const

Характеристика показывает, что при определённом значении выходного напряжения (Uкб), транзистор будет закрыт до тех пор, пока напряжение (Uбэ) не достигнет определённого значения. Тогда во входной цепи начнёт протекать ток, т.е. транзистор откроется. Входной ток эмиттера резко возрастает даже при небольших изменениях входного напряжения (Uбэ). Для более низкого значения выходного напряжения (Uкб) требуется большее напряжение на входе, чтобы транзистор открылся и в цепи эмиттера начал протекать ток.
Выходная характеристика:
Вых. Х – это зависимость коллекторного тока от изменения напряжения на коллекторе, при постоянном значении ток эмиттера.
Iк=f(Uкб) при Iэ=const

Выходная характеристика транзистора показывает, что выходной ток (Iк) практически не зависит от напряжения, приложенного к коллекторному переходу (Uкб), а целиком зависит только от количества основных носителей заряда, поступающих из эмиттера в базу. По – этому даже при небольших значениях выходного напряжения ток коллектора быстро достигает насыщения и дальше практически не изменяется.
Характеристика транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером:

Входная характеристика:
ВХ – это зависимость тока базы от изменения напряжения на переходе база-эмиттер, при постоянном напряжении на коллекторе.
Iб=f(Uбэ) при Uбэ=const

Входная характеристика показывает, что при увеличении напряжения на коллекторе, ширина коллекторного перехода становится больше и толщина базы уменьшается. В тонкой базе снижается рекомбинация, и большее количество носителей заряда втягивается в коллектор. Коллекторный ток увеличивается, а базовый уменьшается. Для того, чтобы ток базы начал расти и транзистор находился в открытом состоянии необходимо увеличивать напряжение на входе. В этом случае базовый ток резко возрастает.
Выходная характеристика:
Вых. Х – это зависимость тока коллектора от изменения напряжения на коллекторе при постоянном токе базы.
Iк=F(Uкэ) при Iб=const

В схеме с общим эмиттером на базу (pnp-транзистор) подаётся небольшой отрицательный потенциал. По – этому ток в цепи коллектора может появиться лишь тогда, когда потенциал коллектора будет ниже потенциала базы. В этом случае носители заряда, скопившиеся в базе, начнут перебрасываться в коллекторную область и ток коллектора резко возрастёт. При определённых значениях коллекторного напряжения рост тока коллектора замедляется, так как для данного значения тока базы основных носителей заряда, поступающий из эмиттера, больше не становится, происходит насыщение транзистора. Таким образом, на выходной характеристике транзистора можно выделить три области (зоны):
1) Для данной зоны характерно, что даже небольших изменениях напряжения на коллекторе, ток коллектора возрастает, т.е. транзистор находится в режиме насыщения и открывается при малых значениях напряжения на коллекторе. Оба pn-перехода открыты и инжектируют в базу дырки, те. База ими насыщена.Эта зона насыщения.
2)Для этой зоны характерно, что независимо от изменения напряжения на коллекторе, ток коллектора практически не изменяется, так как оба pn-перехода закрыты и транзистор заперт. Эта зона отсечки.
3) PN-переход эмиттер – база открыт достаточно большим входным напряжением, при этом ток базы значителен. PN-переход между базой – коллектором закрыт очень большим напряжением коллектора, при этом область базы сужается и почти все дырки, вылетевшие из эмиттера, перебрасываются большим полем коллекторного перехода в коллекторную область. Таким образом, в цепи коллектора протекает достаточно большой ток коллектора.

· Динамический режим – это режим работы транзистора, при котором во входную цепь включен источник напряжения сигнала, в выходную - сопротивления нагрузки.

· Свойства транзисторов оценивают по их параметрам. При определении этих параметров пользуются эквивалентными схемами. В таких схемах транзистор представляют в виде линейного активного четырёхполюсника, имеющего два входных и два выходных зажима (полюса).

Рисунок 1-транзистор представленный в виде активного четырехполюсника по схеме с общей базой (а), по схеме с общим эмиттером (б).
В активных четырёхполюсниках между переменными составляющими напряжений и токов в цепях выражают тремя системами параметров: z, y, h. Наиболее практическое применение получила малосигнальная система h-параметров, которая называется смешанной из-за наличия в ней размерных и безразмерных величин. Параметры этой системы могут быть измерены для реального режима работы транзистора. В системе h-параметров в качестве независимых переменных приняты I1и U2, т.е.
U1=f(I1;U2) и I2=f(I1;U2)
Данные зависимости для сигналов малых амплитуд позволяют записать связь между напряжениями и токами на выходе и входе следующими выражениями:
∆U1=h11*∆I1+h12*∆U2
∆I2=h21-∆I1+h22*∆U2
Для определения h-параметров создают режим холостого хода на входе (∆I1=0) и режим короткого замыкания на выходе (∆U2=0). Эти условия означают, что при определении соответствующего h-параметра входной ток I1 или выходное напряжение U2 неизменны.
Параметр h11-входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом по переменному току выходе.
h11=, при U2=const [Ом].
Параметр h12-коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе.
h12=, при I1=const [Ом].
Параметр h21- коэффициент усиления по току при короткозамкнутом выходе.
h21=, при U2=const [См].
Параметр h22-при разомкнутой цепи входа.
h22=, при I1=const [См].
Например, для схемы включения транзистора с общей базой параметр h11 определяется следующим образом:
h11б==, при Uкб =const.
Все параметры определяются по ВАХ транзистора на рисунке 2:

Рисунок 2 – статическая ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

h11б=, при Uкб =const [Ом].
h12б=, при Iэ =const [Ом].
h21б=, при Uкб =const [См].
h22б=, при Iэ =const [См].

&4 Полевые транзисторы.
План темы:

1.Устройтво и принцип действия;
2.Конструкция и принцип действия МДП – транзистора с индуцированным каналом;
3. Конструкция и принцип действия МДП – транзистора с встроенным каналом;

· Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором управление электрическим током осуществляется в поперечном электрическом поле.

Полевой транзистор состоит из тонкой пластины полупроводника с проводимостью n- или p-типа. С двух сторон этой пластины наносится слой полупроводника p- или n-типа. Этот слой является управляющим электродом и называется затвор. Между областями n- и p-типа образуются pn-переходы. Тонкий слой основного полупроводника (пластины), ограниченный с двух сторон pn-переходами называется каналом. Торцы канала вместе с прилегающими к ним частями пластины являются электродами. Электрод, через который в канал втекают основные носители заряда, называется истоком. Электрод, через который вытекают из канала основные носители заряда, называется стоком.
Принцип действия:
Основан на управлении движением основных носителей заряда с помощью электрического поля. При отсутствии входного напряжения, в выходной цепи в направлении от истока к стоку, протекает поток электронов – основных носителей заряда. Начальный постоянный тот стока зависит от напряжения стока и сопротивления канала. Сопротивление канала в свою очередь зависит от ширины канала, которая ограничивается pn-переходами. При включении входного напряжения ширина pn-перехода будет изменяться в соответствии с изменением входного сигнала. Если входное напряжение (отрицательное) увеличивается, то увеличивается pn-переход, площадь сечения канала уменьшается, его сопротивление возрастает, ток стока уменьшается. Уменьшение напряжения на затворе вызывает уменьшение сопротивления канала. Ток стока возрастает.
Вывод: током, протекающим через канал, можно управлять с помощью сигнала (переменного напряжения, приложенного к затвору).
Работа полевого транзистора оценивается по ВАХ (выходная).

Параметры:
Крутизна характеристики (проводимость канала)
S=, при Uси =const.
Выходное сопротивление транзистора
R=, при Uз =const.
Схемы включения полевых транзисторов:
Схема с общим истоком:

Схема с общим стоком:

Схема с общим затвором:

· Конструкция и принцип действия МДП - транзистора со встроенным каналом. (МДП – металл, диэлектрик, полупроводник)

МДП – транзисторы представляют собой по структуре металл – диэлектрик – полупроводник. В качестве диэлектрика обычно используются пленка окисле кремния, по – этому МДП – транзисторы называют также МОП – транзисторы (металл – окислитель – полупроводник). Основой служит пластина слаболегированного кремния с электропроводимостью p-типа. На этой пластине (подложке) создают слой полупроводника n-типа. Затем формируют контактные площади для стока и истока и на поверхность кремния наносят пленку кремния. На этой пленке (диэлектрике) образуют контактную металлическую площадку затвора. Таким образом, между Стоком и истоком образуется узкая полоска кремния n-типа, которая их объединяет и называется встроенным каналом.
Принцип действия:
При отрицательном U (В) на затворе, электроны проводимости оттесняются из объема канала в полупроводник p-типа. Канал объединяется носителями заряда. Его проводимость уменьшается, ток стока уменьшается. При подаче на затвор положительного напряжения электронами, пришедшими из области p-типа объема канала его проводимость возрастает. Ток стока увеличивается. Вывод: изменяя напряжение на затворе, можно изменить проводимость канала, а, следовательно, и величину тока, протекающего через него.

· Конструкция и принцип действия МДП – транзистора с индуцированным каналом.

При отсутствии напряжения на затворе тот от истока к стоку не протекает, так как канал проводимости отсутствует. При подаче на вход отрицательного напряжения сигнала заряд затвора притягивает к себе дырки из подложки. Под затвором образуется слой, обогащенный дырками, который называется индуцированным каналом. Сопротивление этого слоя уменьшается, проводимость увеличивается, а, следовательно, ток увеличивается. Положительное напряжение на затворе отталкивает дырки от затвора и ток от истока к стоку протекать не будет.
Вывод: МДП – транзистор работает только в режиме обогащения.

&5Типы и конструкции транзисторов.
План темы:

1.Лавинный транзистор;
2.Однопереходные транзисторы;
3.Теристоры;

· По конструкции лавинный транзистор соответствует обычному биполярному транзистору. Лавинным транзистором называется биполярный транзистор, действие которого основано на использовании режима лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе.

Лавинный транзистор работает в такой области ВАХ, которая не предназначена для усиления. При напряжении на коллекторе близко к напряжению пробоя, большая часть приложенного напряжения падает на самом коллекторном переходе. Внутри перехода образуется сильное электрическое поле, pn-переход разрушается (электрический пробой) и начинается лавинное размножение носителей заряда. При этом ток в цепи коллектора быстро нарастает.

· Однопереходный транзистор представляет собой пластину полупроводника n-типа с двумя базами по краям и одним pn-переходом (эмиттерная область) на одной из боковых поверхностей.

Принцип работы транзистора основан на зависимости проводимости полупроводника от инжектируемых в него носителей заряда. Пусть к выводу Б2 относительно Б1 приложено напряжение. Это напряжение задает в кристалле ток. В свою очередь этот ток вызывает на участке эмиттер - база1 падение напряжения Uб1, которое является обратным для эмиттерного перехода. На сам эмиттер подают прямое напряжение. Эмиттерный переход будет закрыт до тех пор, пока напряжение Uб1 будет меньше Uб2. В этом случае в эмиттерной цепи будет протекать небольшой обратный ток. Как только эти два напряжения сравняются по значению Uб1=Uб2 возникнет инжекция дырок в нижней части pn-перехода в область Б1, pn-переход откроется и ток в цепи эмиттера возрастёт. Таким образом, однопереходный транзистор может работать в режиме ключа.

· Тиристором называется четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n-типов проводимостей.
1) Устройство и принцип действия динистора:
Динистор - тиристор, который имеет два вывода и является неуправляемым переключающим диодом.

Наружная p-область и вывод от нее называется анодом. Наружная n-область и вывод от нее называется катодом. Внутренние p- и n-область называются базами. Крайние pn-переходы называются эмиттерным, а средние коллекторными.
Принцип работы:
Подаем на анод отрицательное, а на катод положительное напряжение (обратное), при этом эмиттерные переходы будут закрыты, а коллекторный открыт. Основные носители заряда из анода и катода не смогут перейти в базы, по – этому через динистор ток протекать не будет. Если на анод подаем положительное, а на катод отрицательное напряжение эмиттерные переходы откроются, а коллекторный закроется. Основные носители зарядов переходят из анода в базу 1,а из катода в базу 2, где они становятся неосновными. В базах начинается интенсивная рекомбинация зарядов, в результате которой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Оставшиеся свободные носители заряда подходят к коллекторному переходу и под действием его большого поля втягиваются в базы, где они опять становятся основными. Затем они свободно проходят через эмиттерный переход и попадают электроны в анод, а дырки в катод, где они опять становятся неосновными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор будет очень мало, и прямой ток через прибор так же будет протекать очень маленький. При увеличении напряжения прямой ток будет возрастать незначительно, так как увеличится скорость движения носителей заряда, а инжективность рекомбинации уменьшится. При увеличении напряжения до значения напряжения включения произойдет электрический пробой коллекторного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшится, а ток сильно возрастёт, т.е. прибор откроется. Для выключения динистора нужно временно снять внешнее напряжение.
2) Устройство и принцип действия тиристора:

Тиристор так же представляет собой четырехслойный полупроводниковый прибор, но с тремя выводами. Два вывода от крайних областей являются анодом и катодом и один вывод от одной из баз (управляющий электрод). Преимуществом тиристоров является возможность включать их при меньших напряжениях. Для этого на одну из баз подается дополнительное напряжение таким образом, чтобы оно совпало с полем анода по значению.
Тиристор с управление по катоду:

Тиристор с управлением по аноду:

&6 Фотоэлектрические и оптоэлектрические приборы.

План темы:

1)Типы фотоэлектронных приборов;

2)Электровакуумные фотоэлементы;

3)Фотоэлектронные умножители;

4)Фоторезисторы;

5)Фотодиоды;

6)Фототранзисторы;

7)Светодиоды;

8)Оптроны;

9)Лазеры.

· Фотоэлектронными приборами называются электронные или полупроводниковые приборы, управление током в которых осуществляется с помощью света.

Принцип действия фотоэлектронных приборов основан на явлении фотоэффекта. Различают 3 основные вида фотоэффекта:

1)Внешний

2)Внутренний

3)Вентильный (фотогальванический)

Внешним - фотоэффектом называется явление выхода электронов с поверхности метала под воздействием энергии электромагнитного излучения (света).

Внутренним или фоторезетивным электроном называется изменение электрического сопровождения полупроводника под действием энергии электромагнитного излучения (света).

Вентильным или фотогальваническим эффектом называют явление возникновения ЭДС между двумя слоями полупроводника с различными типами проводимости под действием электромагнитного излучения (спектр).

В зависимости от вида фотоэффекта различают следующие типы фотоэлектронных приборов:

1)Электровакуумные электроны (внешний фотоэффект);

2)Фоторезисторы (внутренний фотоэффект);

3)Фотодиоды (фотогальванический эффект).

Внутри стеклянного баллона помещают два электрона фотокатод и анод.

Фотокатодом - является слой щелочноземельного метана нанесённого на серебреную подложку и осажденную на внутреннюю поверхность баллона.

Катод занимает половину поверхности баллона и осаждённую его часть прозрачная и служит окном, через которое свет попадает на фотокатод.

Анод фотоэлемента выполняют в виде небольшого никелевого кольца, помещённого в центре баллона. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обычно бывают вакуумные.

Принцип действия:

Под действием светового потока из фотокатода вылетают электроны. Они падают в ускоряющее поле анода и, достигая его, создают во внешней цепи постоянной и пропорциональной интенсивности светового потока. При изменении светового потока меняется ток во внешней цепи, а, следовательно, и падение напряжения на нагрузке.

Вывод: таким образом, световой поток управляется с помощью фотоэлемента с выходным элементом.

Фотоэлектронные умножители:

Электронные фотоэлементы обладают относительно малой чувствительной плотностью. Использование фотоэлектронных умножителей позволяет устранить этот недостаток.
Они представляют собой приборы, в которых поток первичных электронов, полученных при фотоэлектронной эмиссии, устанавливаются с помощью вторичной электронной эмиссии. Для этого кроме фотокатода и анода в приборе несколько дополнительных электродов - динодов. В приборе их может быть до 14 штук.

Принцип действия

При облучении фотокатода светом, первичные электроны, ускоряемые электрическим полем первого динода(D1) выбивают из него вторичные электроны. Эти электроны ускорятся полем D2 и выбивают из него новые вторичные электроны. И так до тех пор, пока, вторичные электроны не достигнут динода. Анодный ток увеличиваются, а, следовательно, увеличиваются напряжения на нагрузке.

· Полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием светового потока называется фотодиодами. Принцип действия фоторезисторов основан на использовании явления внутреннего фотокатода. Его сущность состоит в том, что под действием световой энергии в полупроводнике возникают дополнительные носители заряда электроны и дырки, т. е образуется дополнительная проводимость - фотопроводимость полупроводника. Сопротивление полупроводника при этом уменьшается. Для получения свободные электронов внутри полупроводника требуется меньшая энергия, чем для выбивания их с поверхности. Именно по - этому чувствительность фоторезисторов больше, чем чувствительность в вакуумных фотоэлементах

На пластину из диэлектрика(1), наносят слой фоточувствительного полупроводника(2), (сернистый свинец). По краям фоточувствительного слоя устанавливают Ме электроды(3). Затем платину покрывают защитным прозрачным слоем лака и помещают в пластмассовый корпус с прозрачным окошком.

Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях и включенным последовательно с источником питания. При отсутствии освещения фоторезистор имеет постоянное сопротивление и через него протекает очень маленький постоянный ток. При освещении сопротивления фоторезистора уменьшается и ток, протекающий через резистор, начинает изменяться пропорциональности интенсивности светового потока.

· Фотодиодом называют фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и 2-мя выводами.

Фотодиоды могут работать в 2-х режимах:

1) режим фотогенератора (фотоэлемента) без внешнего источника питания

2)в режиме фотопреобразователя с внешним источником питания

3) в режиме фотогенератора используется фотогальванический эффект. Создаётся разность потенциалов на зажимах неоднородного полупроводника при его освещении.

Фотодиоды образованны 2-мя примесными полупроводниками с различными типами электропроводимости для нормальной работы прибора световой поток должен падать на плоскость P-n перехода под прямыми углом.

При отсутствии светового потока в области p-n перехода существует потенциальный барьер с направлениями Uк (потенциальная разность потоков), он возникает за счёт диффузий электронов в область p - типа и дырок области n - типа.

При освещении p-n перехода фотоны, пропавшие на полупроводнике образуют парой свободных зарядов электрон-дырка, в результате в обеих областях увеличивается концентрация свободных носителей зарядов под действием электрического поля образуемой контактной разностью потенциалов электроны переходят в 'p' область, а дырки в "n" область в результате на зажимах фотодиода возникает фото ЭДС, равная контактной разности потенциалов равному 1В.

Таким образом, происходит преобразование лучистой энергии в эмитрическую.

2) Режим фотопреобразователя.

Для этого в цепь последовательно с нагрузкой включают источник питания запирающим направлениям.

Когда фотодиоду не освещён в цепи протекает слабый обратный темновой ток. При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок в цепи начинает протекать ток значение, которого определяется интенсивностью светового тока.

· Фототранзистором называется полупроводниковый прибор с 2-мя p-n переходами.

Устроен, так же как и обычный транзистор и представляет собой полупроводниковый кристалл с 3-мя областями различного типа электропроводимости, которые образуют структуру p-n-p или n-p-n.

Один вывод остаётся свободным и освещается световыми потоками (обычно база)

При отсутствии света в цепи фототранзистора протекает небольшой тепловой ток, от источника питания Ек под действием света в области базы появляются свободные носители зарядов.

Дырки под действием электрического поля источника питания движутся через коллекторный переход, образуя фото ток, который проходит через нагрузку Rн создаётся на ней полезное падения напряжения.

· Полупроводниковый излучатель - это оптоэлектронный полупроводниковый прибор преобразующей электрическую энергию электромагнитного излучения в область видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра.

К ним относятся:

1) инфракрасные излучающие диоды

2)светоизлучающие диоды

3)Полупроводниковые знаковые индикаторы

4)Полупроводниковые шкалы

Светодиоды - это полупроводниковые диоды, в которых происходит преобразование электрической энергии в видимый свет (оптическое излучения) при обычных температурах за счёт свойств p-n перехода.

В основе явления свечения светодиода лежит явление люминесценции. Процесс люминесценции включает в себя 2 этапа.

1) Генерация подвижных носителей заряда (накопление энергии);

2)Рекомбинация, в результате которой в окружающее пространство излучается энергия, затраченная на генерацию т. к при этом электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий (из зоны проводимости в валентную зону).

Длина волны излучаемых электромагнитных волн зависит от материала изготовления светодиода.

Фосфид гелия с добавлением цинка и кислорода даёт красный или жёлтый цвет, карбид кремния сине-зелёный свет.

Если светодиод включить в прямом направлении, то в процессе будет происходить генерация и рекомбинация подвижных носителей заряда, как и в самом p-n переходе это рекомбинация и выносит свечение.

· Оптроном называют прибор, в котором имеется управляемый источник излучения и фото приёмник с оптической связью между ними и помещённый в один корпус, таким образом, в оптроне энергия электрического сигнала с помощью светодиода преобразуется в световую, затем через оптическую среду, в котором снова происходит преобразование электрического света в электрический сигнал, такое двойное преобразование энергии позволяет передать информации из одной электрической цепи с помощью фотонов (бесконтактная связь).

Дата добавления: 2015-06-04