 |
Вольт-амперная характеристика диода
|
|
|
|
В.А.Тихомиров
Основы информационной
Электроники
Курс лекций
 |
Нижний Новгород
Содержание
Введение 4
1. Полупроводниковые диоды 6
1.1. Принцип работы диода 6
1.2. Вольт-амперная характеристика диода (ВАХ) 7
1.3. Выпрямительные диоды 9
1.4. Высокочастотные диоды 10
1.5. Импульсные диоды 10
1.6. Стабилитроны и стабисторы 10
Биполярные транзисторы 11
2.1. Общие принципы 11
2.2. Основные параметры транзистора 12
2.3. Схемы включения транзисторов 13
2.3.1. Схема с общим эмиттером 14
2.3.2. Схема включения транзистора с общим коллектором 17
2.3.3. Схема с общей базой 17
3. Полевые транзисторы 18
3.1. Полевой транзистор с p-n переходом 18
Входные и выходные характеристики полевого
транзистора с p-n переходом и каналом n-типа 18
Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом 19
Полевые транзисторы с изолированным затвором 19
3.2.1. Входные и выходные характеристики МОП- транзистора
с каналом n - типа 20
МОП – транзисторы с индуцированным каналом 20
Крутизна 20
Особенности полевых МОП- транзисторов 20
Ключ на КМОП - транзисторах с индуцированным каналом 21
4. Тиристоры 21
4.1. Принцип работы тиристора 21
4.2. Основные параметры тиристоров 22
4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель 23
4.4. Регулятор переменного напряжения 23
5. Интегральные микросхемы 24
5.1. Общие положения 24
5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители 24
5.2.1. Свойства ОУ 24
5.2.2. Основы схемотехники ОУ. Входной дифференциальный
каскад 25
Параметры операционных усилителей 26
5.2.4. Основные схемы включения ОУ. Инвертирующее
включение 27
5.2.5. Неинвертирующее включение 28
|
|
|
5.2.6. Ограничитель сигнала 29
5.2.7. Компараторы 29
5.2.8. Активные фильтры 30
6. Цифровые интегральные микросхемы 31
6.1. Общие понятия 31
6.2. Основные свойства логических функций 31
6.3. Основные логические законы 32
6.4. Функционально полная система логических элементов 32
6.5. Обозначения, типы логических микросхем и структура ТТЛ 33
6.6. Синтез комбинационных логических схем 34
Методы минимизации 35
6.6.2. Примеры минимизации, записи функции и реализации 37
6. 7. Интегральные триггеры 37
6.7.1. RS асинхронный триггер 38
6.7.2. Асинхронный D – триггер 39
6.7.3. Синхронный D - триггер со статическим управлением 39
6.7.4. Синхронный D -триггер с динамическим управлением 39
6.7.5. Синхронный JK – триггер 39
6.7.6. T - триггер 40
6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров. Схема
генератора импульсов 40
6.7.8. Элементы оптоэлектроники 40
7. Практические занятия 42
7.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления 42
7.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления 43
7.3. Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя
при прямоугольном питающем напряжении 43
7.4. Стабилизатор напряжения на стабилитроне 43
7.5. Схема триггера на биполярных транзисторах 44
7.6. Мультивибратор на транзисторах 45
7.7. Ждущий одновибратор на транзисторах 46
Литература 46
Введение
Электроника – это область науки и техники, которая занимается изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в вакууме, газе, в твердом теле. Такими приборами являются: электронные приборы (ток в вакууме), ионные приборы (ток в газе), полупроводниковые приборы. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые приборы.
Часть электроники, которая занимается вопросами применения различных приборов, называется промышленной электроникой. Она разделяется на два направления:
|
|
|
1. Информационная электроника – занимается вопросами управления различными процессами. К устройствам информационной электроники относятся: аналоговые усилители и преобразователи сигналов, генераторы сигналов, оптоэлектронные устройства, логические элементы, цифровые устройства, микропроцессорные системы. Они предназначены для измерения, обработки, передачи, хранения и отображения информации.
2. Энергетическая (силовая) электроника – занимается преобразованием параметров электроэнергии. К устройствам энергетической электроники относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения.
В качестве примера на рис.1а показана структура электропривода с АД, где устройство управления УУ и система датчиков Д относятся к устройствам информационной электроники, а полупроводниковый преобразователь электроэнергии ПП - к устройствам энергетической электроники.
Начало развития электроники можно отнести к началу 20 века, когда в 1904 г. англичанин Д.Флеминг создал первую электронную лампу (диод). В 1906 г. американец Л.Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный усиливать и генерировать электрические колебания. В России первую электронную лампу создал в 1914 г. Н.Д.Папалекси.
В 30-х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф.Иоффе.
В 1948 г. американскими учеными был изобретен первый полупроводниковый усилительный прибор – биполярный транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские ученые А.В.Красилов и С.Г. Мадоян.
Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.
В 1957 г. фирмой General Electric был создан тиристор.
В 1958 г. появился первый полевой транзистор.
Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением интегральных микроэлектроных схем. Первая интегральная микросхема была анонсирована в 1959 г. американцем Килби. Интегральная микросхема (ИС) – это электронное устройство, элементы которого изготовляются в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на едином основании - подложке. Промышленный выпуск ИС был начат в начале 60-х годов. Первая цифровая интегральная микросхема ТТЛ-логики появилась в 1961 г., первый интегральный операционный усилитель mA709 был разработан в 1964 г. двадцатичетырехлетним американским ученым Р. Видларом (спустя два года после окончания университета, где он получил степень бакалавра). Все это способствовало бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных устройств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС – 1969 г.), а затем и сверхбольших (СБИС – 1975 г.) интегральных микросхем, которые позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор – СБИС, содержащая десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Первый четырехразрядный микропроцессор был изготовлен фирмой Intel в 1971 г., а на следующий год - восьмиразрядный.
|
|
|
В настоящее время интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые приборы стали основной элементной базой современных устройств промышленной электроники. Совместно с ними применяются резисторы, конденсаторы, дроссели.
1. Полупроводниковые диоды
1.1. Принцип работы диода
Основой современных полупроводниковых приборов является кремний или германий. Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p–типа. Для получения полупроводника n–типа в него добавляют донорную примесь (например, мышьяк, сурьма), которая обеспечивает появление в межатомном пространстве свободных электронов, а в кристаллической решетке появляется такое же количество неподвижных положительных ионов донора. Для получения полупроводника р–типа в него добавляют акцепторную примесь (например, индий, галлий), которая обеспечивает появление в межатомном пространстве свободных дырок, а в кристаллической решетке появляется такое же количество неподвижных отрицательных ионов акцептора. Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона. Положительный ион – это атом, потерявший электрон, а отрицательный ион – это атом, получивший электрон. В твердых телах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах кристаллической решетки.
|
|
|
В полупроводниках n–типа ток переносят отрицательно заряженные частицы – электроны, а в полупроводниках p–типа – положительно заряженные частицы – дырки. Перемещение дырок – это перемещение мест с отсутствующими электронами в результате движения электронов.
Основой полупроводникового диода является двухслойная структура, созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую – акцепторная (p- область). Структура полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис.1.
Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется. p-n переходом. Из-за встречной диффузии через p-n переход дырок (из р- в n- область) и электронов (из n- в р- область) в тонком слое вблизи p-n перехода происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов (дырки заполняются электронами). В результате между р- и n- областями образуется так называемый обедненный слой, который имеет очень мало свободных носителей заряда. Как только электроны покидают n- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть свободные электроны обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Точно также, когда дырки покидают p- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов, который будет тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Заряды неподвижных ионов примесей оказываются не скомпенсированы и создадут по обе стороны
 |
p-n перехода область объемного заряда – рис.1. Этот объемный заряд образует потенциальный барьер. Энергия носителей зарядов оказывается недостаточной, чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается.
Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так, чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в сторону р-n перехода. Потенциальный барьер уменьшается, переход основных носителей зарядов через границу (электронов из n-слоя и дырок из p-слоя) и их взаимная компенсация возрастают, следовательно, через диод будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а в p-слое создавать новые дырки.
|
|
|
При обратном знаке напряжения электроны притягиваются к положительному потенциалу источника, а дырки - к отрицательному, потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход зарядов через границу почти прекращается, ток через диод очень мал. Этот ток обусловлен тепловым разрушением ковалентных связей в обоих слоях и образованием пар электрон-дырка. Неосновные носители (электроны в p-слое и дырки в n-слое) имеют такой знак заряда, который способствует их прохождению через переход.
Полупроводниковый диод – это своеобразный конденсатор: области n и p можно рассматривать как обкладки конденсатора, а p-n переход – как изолятор между обкладками. Различают диффузионную (при прямом приложенном напряжении) и барьерную (при обратном напряжении) емкости диода. Емкость полупроводникового диода – это бесплатное приложение к его основному свойству – к односторонней проводимости. Во многих случаях это свойство является вредным, т.к. ухудшает работу диода на высоких частотах, в импульсных режимах и обуславливает его инерционность.
Изображение диода на электрической схеме показано на рис. 2. Вывод p-слоя называется анодом (А). Вывод n-слоя называется катодом (К).
Включение диода в простейшую электрическую цепь показано на рис. 3, 4. На рис.3 диод является проводником, поэтому в цепи должен быть элемент, ограничивающий ток. Таким элементом является резистор Rн. Ток через него равен: I=(U - Uпр)/Rн. 
Uпр»0, поэтому I=U/Rн; URн=IRн=U.
При обратном включении диода через него протекает незначительный обратный ток. Для диодов на малые токи обратный ток может составлять десятки нА, у больших диодов - десятки mА. Схема при обратном включении диода представлена на рис. 4. Для нее U=URн+Uобр, URн=Iобр×Rн»0, т.к. Iобр»0, поэтому U=Uобр.
Часто диод включен в схему, где приложенное напряжение является переменным. Виды этих напряжений:
1. Синусоидальное, показано на рис. 5.
2. Прямоугольное, показано на рис.6
3. Треугольное.
4. Экспоненциальное.
 |
Вольт-амперная характеристика диода
Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 7. Приближенно она может быть описана уравнением:
I=IO(e U/mjт – 1),
где IO – ток насыщения обратносмещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; jт = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов jк на границе p-n перехода при отсутсвии внешнего напряжения; k =1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,6×10-19кулон – заряд электрона; m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При комнатной температуре Т=300К, jт = 0,026В.
На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.
На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В.
Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде UобрIобр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход.
У любого диода оговаривается несколько основных параметров:
- номинальный прямой ток;
- максимальное обратное напряжение;
- прямое падение напряжения;
- постоянный обратный ток;
- максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости).
Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150оС против 75оС для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60...80А/см2 по сравнению с 20... 30А/см2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500...2800В по сравнению с 600...800В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения при прямом номинальном токе обозначается Uпр. Uпр=0,3...0,4В для германиевых диодов, Uпр=0,6...1,2В для кремниевых диодов.
Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя. На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод разрушается.
Зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 10.
При рассмотрении режимов работы схем с диодами их часто представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. Идеализированная ВАХ представлена на рис. 9.
По назначению различают следующие типы диодов:
1. Выпрямительные.
2. Импульсные.
3. Высокочастотные.
4. Стабилитроны и стабисторы.
Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам.
Выпрямительные диоды
Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра:
1.Ток прямой номинальный (среднее значение).
2. Напряжение обратное максимальное (мгновенное).
Диоды выпускаются на ток 10мА...1000А. Обратное напряжение находится в пределах от 10В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток > 10А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода - это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 -ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс - это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY, где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1,2). Буква определяет обратное напряжение.
Второстепенные параметры:
1.Максимальный обратный ток Iобр.макс (от десятков нА до десятков мА).
2.Прямое падение напряжения Uпр (0,3...1,2В).
3.Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные
токи, напряжения и мощность.
4.Время восстановления запирающих свойств диода.
Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис.11. Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал tв - время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за не идеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.
Высокочастотные диоды
Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 12.
Импульсные диоды
Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр - импульсный ток за оговоренное время.
Стабилитроны и стабисторы
Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться.
ВАХ стабилитрона представлена на рис. 13. Для стабилитронов указывается два основных параметра:
Uст - напряжение стабилизации стабилитрона;
Iст.н – номинальный ток стабилитрона.
Uст=3,3...170В. Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1...3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот mA.
Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ. ВАХ стабистора показана на рис. 14. Такая ВАХ создается технологически. Стабистор-диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.
Биполярные транзисторы
Общие принципы
Биполярные транзисторы - это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры, которые представлены на рис. 15а, 15б. Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода. Существуют еще полевые транзисторы, имеющие другие структуры.
Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К-Э является управляемой цепью. С помощью тока через переход Б-Э можно управлять током через переход К-Э.
Принцип работы транзистора поясняется с помощью рис. 16.
Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к минусу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток.
Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинирует с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб. Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-
 |
эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.
Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор.
Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера a =Iк/Iэ. Обычно a=0,9…0.995. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы в рассматриваемой схеме включения транзистора (она называется схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10…300.
Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным.
При рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан тем, что область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое количество свободных электронов. В тоже время область базы легируется очень слабо, что дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер.
Таким образом, транзистор является усилительным прибором. В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности.
Обозначения транзисторов типа p-n-p и n-p-n на электрических схемах показаны на рис. 17, 18.
|
|
|
