Полупроводниковые приборы - Краткое руководство

Широко известно, что расстояние между ядром и электроном конкретного атома неодинаково. Обычно электроны вращаются по четко определенной орбите. Определенное количество электронов может удерживаться только внешней оболочкой или орбитой. На электрическую проводимость атома влияют в основном электроны внешней оболочки. Эти электроны во многом определяют электрическую проводимость.

Проводники и изоляторы

Электропроводность - это результат нерегулярного или неконтролируемого движения электронов. Эти движения делают определенные атомы хорошимиelectrical conductors. Материал с таким типом атомов имеет много свободных электронов на внешней оболочке или орбите.

Для сравнения insulating materialимеет относительно небольшое количество свободных электронов. Следовательно, электроны на внешней оболочке изоляторов стремятся прочно удерживать свое место и почти не пропускают через нее ток. Следовательно, в изоляционном материале очень низкая электропроводность.

Полупроводники

Между проводниками и изоляторами существует третья классификация атомов (материалов), известная как полупроводники. Как правило, проводимость полупроводника находится между проводимостью металлов и изоляторов. Однако при абсолютной нулевой температуре полупроводник также действует как идеальный изолятор.

Silicon и germaniumявляются наиболее известными полупроводниковыми элементами. Оксид меди, сульфид кадмия и арсенид галлия - это некоторые другие часто используемые полупроводниковые соединения. Эти материалы обычно относятся к элементам типа IVB. Такие атомы имеют четыре валентных электрона. Если они могут отдать четыре валентных электрона, стабильность может быть достигнута. Этого также можно добиться, приняв четыре электрона.

Устойчивость атома

Концепция стабильности атома - важный фактор в статусе полупроводниковых материалов. Максимальное количество электронов в валентной зоне - 8. Когда в валентной зоне ровно 8 электронов, можно сказать, что атом устойчив. Вstable atom, связь валентных электронов очень жесткая. Эти типы атомов - отличные изоляторы. В таких атомах свободные электроны недоступны для электропроводности.

Примерами стабилизированных элементов являются такие газы, как аргон, ксенон, неон и криптон. Из-за своих свойств эти газы не могут быть смешаны с другими материалами и обычно известны какinert gases.

Если количество валентных электронов на внешней оболочке меньше 8, то атом называется нестабильным, т.е. атомы, имеющие менее 8 валентных электронов, нестабильны. Они всегда пытаются заимствовать или отдавать электроны у соседних атомов, чтобы стать стабильными. Атомы на внешней оболочке с 5, 6 или 7 валентными электронами имеют тенденцию заимствовать электроны у других атомов для достижения стабильности, в то время как атомы с одним, двумя или тремя валентными электронами имеют тенденцию передавать эти электроны другим соседним атомам.

Все, что имеет вес, имеет значение. Согласно теории атома, вся материя, будь то твердое тело, жидкость или газ, состоит из атомов. Атом содержит центральную часть, называемую ядром, в которой находятся нейтроны и протоны. Обычно протоны - это положительно заряженные частицы, а нейтроны - нейтрально заряженные частицы. Электроны, которые являются отрицательно заряженными частицами, расположены на орбитах вокруг ядра, подобно множеству планет вокруг Солнца. На следующем рисунке показан состав атома.

Обнаружено, что атомы разных элементов имеют разное количество протонов, нейтронов и электронов. Чтобы отличить один атом от другого или классифицировать различные атомы, атомам каждого идентифицированного элемента присваивается число, обозначающее количество протонов в ядре данного атома. Это число известно какatomic numberэлемента. Атомные номера некоторых элементов, связанных с изучением полупроводников, приведены в следующей таблице.

Элемент	Условное обозначение	Атомный номер
Кремний	Si	14
Германий	Ge	32
Мышьяк	В виде	33
Сурьма	Sb	51
Индий	В	49
Галлий	Ga	31 год
Бор	B	5

Обычно атом имеет равное количество протонов и планетарных электронов, чтобы поддерживать его чистый заряд на нуле. Атомы часто объединяются, образуя стабилизированные молекулы или соединения за счет имеющихся валентных электронов.

Процесс объединения свободных валентных электронов обычно называют bonding. Ниже приведены различные виды связи, происходящие в комбинациях атомов.

• Ионная связь
• Ковалентная связь
• Металлическое соединение

Давайте теперь подробно обсудим эти атомные связи.

Ионное соединение

Каждый атом ищет стабильности, когда атомы соединяются вместе, образуя молекулы. Когда валентная зона содержит 8 электронов, ее называютstabilized condition. Когда валентные электроны одного атома объединяются с электронами другого атома, чтобы стать стабильными, это называетсяionic bonding.

• Если атом имеет более 4 валентных электронов на внешней оболочке, он ищет дополнительные электроны. Такой атом часто называютacceptor.

• Если какой-либо атом содержит менее 4 валентных электронов во внешней оболочке, они пытаются выйти из этих электронов. Эти атомы известны какdonors.

При ионной связи донорные и акцепторные атомы часто объединяются вместе, и комбинация становится стабильной. Поваренная соль - распространенный пример ионной связи.

На следующих рисунках показан пример независимых атомов и ионной связи.

Из рисунка выше видно, что атом натрия (Na) отдает свой 1 валентный электрон атому хлорида (Cl), который имеет 7 валентных электронов. Атом хлорида немедленно становится отрицательно уравновешенным, когда он получает дополнительный электрон, и это заставляет атом стать отрицательным ионом. С другой стороны, атом натрия теряет свой валентный электрон, и тогда атом натрия становится положительным ионом. Как мы знаем, в отличие от притяжения зарядов атомы натрия и хлора связаны друг с другом электростатической силой.

Ковалентная связь

Когда валентные электроны соседних атомов используются совместно с другими атомами, происходит ковалентная связь. При ковалентной связи ионы не образуются. В этом заключается уникальное отличие ковалентной связи и ионной связи.

Когда атом содержит четыре валентных электрона на внешней оболочке, он может делить один электрон с четырьмя соседними атомами. Между двумя связывающими электронами возникает ковалентная сила. Эти электроны поочередно перемещают орбиты между атомами. Эта ковалентная сила связывает отдельные атомы вместе. Иллюстрация ковалентного связывания показана на следующих рисунках.

В этом расположении показаны только ядро ​​и валентные электроны каждого атома. Электронная пара создается из-за того, что отдельные атомы связаны вместе. В этом случае для завершения связывающего действия необходимо пять атомов. Процесс склеивания расширяется во всех направлениях. Каждый атом теперь связан в сетку решетки, и эта сетка образует кристаллическую структуру.

Металлическое соединение

Третий тип соединения обычно возникает в хороших электрических проводниках и называется металлическим соединением. В металлическом соединении между положительными ионами и электронами существует электростатическая сила. Например, валентная зона меди имеет один электрон на внешней оболочке. Этот электрон имеет тенденцию перемещаться по материалу между разными атомами.

Когда этот электрон покидает один атом, он мгновенно попадает на орбиту другого атома. Процесс повторяется без перерыва. Когда электрон покидает атом, он становится положительным ионом. Этоrandom process. Это означает, что один электрон всегда связан с атомом. Это не означает, что электрон связан с одной конкретной орбитой. Он всегда кочует по разным орбитам. Как следствие, все атомы, вероятно, имеют общие валентные электроны.

Электроны кружатся в облаке, покрывающем положительные ионы. Это парящее облако случайным образом связывает электроны с ионами. На следующем рисунке показан пример металлического соединения меди.

Количество электронов во внешнем кольце атома по-прежнему является причиной разницы между проводниками и изоляторами. Как мы знаем, твердые материалы в основном используются в электрических устройствах для обеспечения электронной проводимости. Эти материалы можно разделить на проводники, полупроводники и изоляторы.

Однако проводники, полупроводники и изоляторы различаются диаграммами уровней энергии. Здесь будет учтено количество энергии, необходимое для того, чтобы заставить электрон покинуть свою валентную зону и перейти в проводимость. Диаграмма представляет собой совокупность всех атомов в материале. Диаграммы уровней энергии изоляторов, полупроводников и проводников показаны на следующем рисунке.

Валансная группа

Нижняя часть - это valence band. Он представляет собой энергетические уровни, наиболее близкие к ядру атома, а энергетические уровни в полосе валанса содержат правильное количество электронов, необходимое для уравновешивания положительного заряда ядра. Таким образом, эта полоса называетсяfilled band.

В валентной зоне электроны прочно связаны с ядром. Двигаясь вверх по энергетическому уровню, электроны более слабо связаны с ядром на каждом последующем уровне. Нелегко беспокоить электроны на энергетических уровнях ближе к ядру, так как их движение требует большей энергии, а каждая электронная орбита имеет отдельный энергетический уровень.

Зона проводимости

Верхняя или крайняя полоса на диаграмме называется conduction band. Если электрон имеет энергетический уровень, который находится внутри этой зоны, и относительно свободно перемещается в кристалле, то он проводит электрический ток.

В полупроводниковой электронике нас больше интересуют валентная зона и зона проводимости. Ниже приводится некоторая основная информация об этом -

• Валентная зона каждого атома показывает уровни энергии валентных электронов во внешней оболочке.

• Определенное количество энергии должно быть добавлено к валентным электронам, чтобы заставить их перейти в зону проводимости.

Запретный разрыв

Валентная зона и зона проводимости разделены щелью, где бы она ни существовала, называемой запрещенной зоной. Чтобы пересечь запрещенную зону, необходимо определенное количество энергии. Если этого недостаточно, электроны не выпускаются для проводимости. Электроны будут оставаться в валентной зоне, пока не получат дополнительную энергию для пересечения запрещенной зоны.

На статус проводимости конкретного материала может указывать ширина запрещенной зоны. В атомной теории ширина зазора выражается в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт определяется как количество энергии, полученной или потерянной, когда электрон подвергается воздействию разности потенциалов 1 В. Атомы каждого элемента имеют разное значение уровня энергии, которое обеспечивает проводимость.

Обратите внимание, что forbidden regionизолятора относительно широкая. Чтобы заставить изолятор перейти в проводимость, потребуется очень большое количество энергии. Например, Тирит.

Если изоляторы эксплуатируются при высоких температурах, повышенная тепловая энергия заставляет электроны валентной зоны переходить в зону проводимости.

Как видно из диаграммы зон, запрещенная зона полупроводника намного меньше, чем у изолятора. Например, кремнию нужно набрать 0,7 эВ энергии, чтобы перейти в зону проводимости. При комнатной температуре добавления тепловой энергии может быть достаточно, чтобы вызвать проводимость в полупроводнике. Эта особенность имеет большое значение в твердотельных электронных устройствах.

В случае проводника зона проводимости и валентная зона частично перекрывают друг друга. В каком-то смысле запретного промежутка нет. Следовательно, электроны валентной зоны могут высвобождаться, чтобы стать свободными электронами. Обычно при нормальной комнатной температуре внутри проводника наблюдается небольшая электрическая проводимость.

Как обсуждалось ранее, на атом может быть один или несколько свободных электронов, которые полностью перемещаются через внутреннюю часть металла под действием приложенного поля.

На следующем рисунке показано распределение заряда в металле. Он известен какelectron-gas description of a metal.

В hashed regionпредставляет собой ядро ​​с положительным зарядом. Синие точки представляют собой валентные электроны на внешней оболочке атома. По сути, эти электроны не принадлежат какому-либо конкретному атому, и в результате они потеряли свою индивидуальную идентичность и свободно перемещаются от атома к атому.

Когда электроны находятся в непрерывном движении, направление транспортировки изменяется при каждом столкновении с тяжелыми ионами. Это основано на электронно-газовой теории металла. Среднее расстояние между столкновениями называетсяmean free path. Электроны, проходящие через единицу площади в металле в обратном направлении в заданное время, на случайной основе, делают средний ток равным нулю.

Когда напряжение подается на полупроводниковые устройства, электронный ток течет к положительной стороне источника, а дырочный ток течет к отрицательной стороне источника. Такая ситуация возникает только в полупроводниковом материале.

Кремний и германий - самые распространенные полупроводниковые материалы. Как правило, проводимость полупроводника находится между проводимостью металлов и изоляторов.

Германий как полупроводник

Ниже приведены некоторые важные моменты о Germanium -

• На внешней орбите германия находится четыре электрона. В связях атомы показаны только с их внешними электронами.

• Атомы германия будут разделять валентные электроны ковалентной связью. Это показано на следующем рисунке. Германий - это те, которые связаны с ковалентной связью. Кристаллическая форма германия называется кристаллической решеткой. В этом типе структуры атомы расположены так, как показано на следующем рисунке.

• В таком расположении электроны находятся в очень стабильном состоянии и поэтому менее подходят для связи с проводниками. В чистом виде германий является изоляционным материалом и называетсяintrinsic semiconductor.

На следующем рисунке показаны атомные структуры кремния и германия.

Кремний как полупроводник

В полупроводниковых устройствах также используется кремний при производстве различных электронных компонентов. Атомная структура кремния и германия показана на рисунке выше. Структура кристаллической решетки кремния аналогична структуре германия.

Ниже приведены некоторые важные моменты о кремнии.

• У него четыре электрона на внешней оболочке, как у германия.

• В чистом виде он бесполезен как полупроводниковый прибор.

• Желаемый уровень проводимости может быть получен путем добавления примесей.

• Добавление примесей следует производить осторожно и в контролируемой среде.

• В зависимости от типа добавляемой примеси это будет создавать либо избыток, либо недостаток электронов.

На следующем рисунке показан внутренний кристалл кремния.

Чистый кремний или германий редко используются в качестве полупроводников. Практически применимые полупроводники должны содержать контролируемое количество примесей, добавленных к ним. Добавление примеси изменит способность проводника, и он действует как полупроводник. Процесс добавления примеси к собственному или чистому материалу называетсяdoping и примесь называется dopant. После легирования собственный материал становится внешним материалом. Практически только после легирования эти материалы становятся пригодными для использования.

Когда примесь добавляется к кремнию или германию без изменения кристаллической структуры, получается материал N-типа. В некоторых атомах электроны имеют пять электронов в валентной зоне, такие как мышьяк (As) и сурьма (Sb). Легирование кремния любой из примесей не должно изменять кристаллическую структуру или процесс связывания. Лишний электрон примесного атома в ковалентной связи не участвует. Эти электроны слабо удерживаются вместе их исходными атомами. На следующем рисунке показано изменение кристалла кремния с добавлением примесного атома.

Влияние легирования на материал N-типа

Влияние легирования на материал N-типа следующее:

• При добавлении мышьяка к чистому кремнию кристалл становится материалом N-типа.

• Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.

• Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и их называют донорными примесями.

• Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем обычный материал.

• Материал N-типа не заряжен отрицательно. Фактически все его атомы электрически нейтральны.

• Эти дополнительные электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.

• Примесный кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость при приложенной энергии всего 0,005 эВ.

• Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.

Обычно электроны считаются основными носителями тока в этом типе кристаллов, а дырки - неосновными носителями тока. Количество донорного материала, добавленного к кремнию, определяет количество основных носителей тока в его структуре.

Количество электронов в кремнии N-типа во много раз больше, чем электронно-дырочных пар в собственном кремнии. При комнатной температуре наблюдается сильная разница в электропроводности этого материала. Есть много носителей тока, которые могут принять участие в текущем потоке. В этом типе материала протекание тока обеспечивается в основном электронами. Следовательно, внешний материал становится хорошим проводником электричества.

Влияние легирования на материал P-типа

Влияние легирования на материал P-типа следующее:

• Когда к чистому кремнию добавляют индий (In) или галлий (Ga), образуется материал P-типа.

• Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертый электрон.

• В материале типа P каждая дырка может быть заполнена электроном. Для заполнения этой дырочной области электронам из соседних ковалентно связанных групп требуется очень меньше энергии.

• Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что материал P будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.

• При комнатной температуре наблюдается очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.

На следующем рисунке показано, как кристаллическая структура кремния изменяется при легировании акцепторным элементом - в данном случае индием. Кусок материала P не заряжен положительно. Его атомы в основном электрически нейтральны.

Однако в ковалентной структуре многих групп атомов есть дыры. Когда электрон движется внутрь и заполняет дыру, дыра становится пустой. Новое отверстие создается в связанной группе, где ушел электрон. Фактически движение отверстия является результатом движения электронов. Материал P-типа переходит в проводимость при приложенной энергии всего 0,05 эВ.

На рисунке выше показано, как кристалл P-типа будет реагировать при подключении к источнику напряжения. Обратите внимание, что дырок больше, чем электронов. При подаче напряжения электроны притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

Отверстия в некотором смысле смещаются к отрицательному полюсу аккумулятора. В этот момент подхватывается электрон. Электрон сразу заполняет дыру. Затем отверстие становится пустым. В то же время электрон вытягивается из материала положительной клеммой аккумулятора. Следовательно, отверстия перемещаются к отрицательному выводу из-за смещения электронов между разными связанными группами. При подаче энергии поток дырок является непрерывным.

Кристаллическая структура из материалов P и N обычно известна как junction diode. Обычно это устройство с двумя выводами. Как показано на следующей схеме, одна клемма прикреплена к материалу P-типа, а другая - к материалу N-типа.

Общая точка соединения, в которой соединяются эти материалы, называется junction. Переходный диод позволяет носителям тока течь в одном направлении и препятствовать прохождению тока в обратном направлении.

На следующем рисунке показана кристаллическая структура переходного диода. Обратите внимание на расположение материалов типа P и N по отношению к стыку. Структура кристалла непрерывна от одного конца до другого. Место соединения действует только как точка разделения, которая представляет конец одного материала и начало другого. Такая структура позволяет электронам тщательно перемещаться по всей структуре.

На следующей диаграмме показаны две части полупроводникового вещества до того, как они будут сформированы в PN-переход. Как указано, каждая часть материала имеетmajority и minority current carriers.

Количество символов-носителей, показанных в каждом материале, указывает на функцию меньшинства или большинства. Как мы знаем, электроны являются основными носителями в материале N-типа, а дырки - неосновными носителями. В материале P-типа дырки являются основными носителями, а электроны составляют меньшинство.

Первоначально, когда образуется переходной диод, между носителями тока происходит уникальное взаимодействие. В материале N-типа электроны легко перемещаются через переход, заполняя дыры в P-материале. Этот акт обычно называютdiffusion. Диффузия является результатом большого скопления носителей в одном материале и меньшего скопления в другом.

Как правило, носители тока, которые находятся рядом с переходом, принимают участие только в процессе диффузии. Электроны, покидающие материал N, вызывают образование на их месте положительных ионов. Входя в материал P для заполнения дырок, эти электроны создают отрицательные ионы. В результате каждая сторона перехода содержит большое количество положительных и отрицательных ионов.

Область, в которой эти дырки и электроны истощаются, обычно называют областью истощения. Это область, где нет большинства носителей тока. Обычно при образовании PN-перехода возникает область истощения. На следующем рисунке показана область обеднения переходного диода.

Материал N-типа и P-типа считается электрически нейтральным до того, как они будут соединены вместе на общем стыке. Однако после присоединения диффузия происходит мгновенно, когда электроны пересекают переход, чтобы заполнить дырки, вызывая появление отрицательных ионов в материале P, это действие заставляет соседнюю область перехода принимать отрицательный заряд. Электроны, покидающие материал N, заставляют его генерировать положительные ионы.

Весь этот процесс, в свою очередь, приводит к тому, что сторона N перехода получает чистый положительный заряд. Создание этого особого заряда имеет тенденцию отталкивать оставшиеся электроны и дырки от перехода. Это действие несколько затрудняет диффузию других носителей заряда через переход. В результате на переходе накапливается заряд или возникает барьерный потенциал.

Как показано на следующем рисунке. Результирующий барьерный потенциал имеет небольшую батарею, подключенную через PN-переход. На данном рисунке обратите внимание на полярность этого потенциального барьера по отношению к материалам P и N. Это напряжение или потенциал будут существовать, когда кристалл не подключен к внешнему источнику энергии.

Барьерный потенциал германия составляет приблизительно 0,3 В, а кремния - 0,7 В. Эти значения не могут быть измерены напрямую и проявляются в области пространственного заряда перехода. Чтобы обеспечить проводимость тока, барьерный потенциал PN-перехода должен быть преодолен внешним источником напряжения.

Термин «смещение» относится к приложению постоянного напряжения для создания определенных рабочих условий. Или когда к PN-переходу подается внешний источник энергии, это называется напряжением смещения или просто смещением. Этот метод увеличивает или уменьшает барьерный потенциал перехода. В результате уменьшение барьерного потенциала заставляет носителей тока возвращаться в область обеднения. К PN-переходам применяются следующие два условия смещения.

• Forward Biasing - К потенциалу барьера добавляется внешнее напряжение той же полярности, что приводит к увеличению ширины обедненной области.

• Reverse Biasing - PN-переход смещен таким образом, что приложение внешнего напряжения предотвращает попадание носителей тока в область обеднения.

Прямое смещение

На следующем рисунке показан диод с прямым смещением PN-перехода с приложенным внешним напряжением. Вы можете видеть, что положительная клемма батареи подключена к материалу P, а отрицательная клемма батареи подключена к материалу N.

Ниже приведены наблюдения -

• Это напряжение смещения отталкивает большинство носителей тока из каждого материала типа P и N. В результате на стыке начинает появляться большое количество дырок и электронов.

• На N-стороне перехода электроны движутся, чтобы нейтрализовать положительные ионы в области обеднения.

• На материале стороны P электроны оттягиваются от отрицательных ионов, что заставляет их снова становиться нейтральными. Это означает, что прямое смещение коллапсирует обедненную область и, следовательно, барьерный потенциал. Это означает, что когда PN-переход смещен в прямом направлении, он обеспечивает непрерывный ток.

На следующем рисунке показан поток носителей тока диода с прямым смещением. Постоянная подача электронов обеспечивается за счет внешнего источника напряжения, подключенного к диоду. Поток и направление тока показаны на схеме большими стрелками за пределами диода. Обратите внимание, что поток электронов и поток тока относятся к одному и тому же.

Ниже приведены наблюдения -

• Предположим, что электроны текут через провод от отрицательной клеммы аккумулятора к материалу N. Попадая в этот материал, они немедленно стекают к стыку.

• Точно так же с другой стороны такое же количество электронов вытягивается со стороны P и возвращается к положительной клемме аккумулятора. Это действие создает новые отверстия и заставляет их двигаться к стыку.

• Когда эти дырки и электроны достигают стыка, они соединяются и фактически исчезают. В результате на внешних концах диода появляются новые дырки и электроны. Эти мажоритарные перевозчики создаются на постоянной основе. Это действие продолжается, пока подключен внешний источник напряжения.

• Когда диод смещен в прямом направлении, можно заметить, что электроны проходят через всю структуру диода. Это обычное явление для материалов типа N, тогда как в материалах P отверстия являются движущимися носителями тока. Обратите внимание, что движение дырки в одном направлении должно начинаться с движения электрона в противоположном направлении. Следовательно, полный ток - это добавление дырок и электронов, протекающих через диод.

Обратное смещение

На следующем рисунке показан диод с обратным смещением на PN переходе с приложенным внешним напряжением. Вы можете видеть, что положительная клемма батареи подключена к материалу N, а отрицательная клемма батареи подключена к материалу P. Обратите внимание, что в такой конфигурации полярность батареи должна противодействовать полярности материала диода, так что разные заряды притягиваются. Следовательно, основные носители заряда каждого материала уносятся от перехода. Обратное смещение приводит к тому, что диод становится непроводящим.

На следующем рисунке показано расположение основных носителей тока в диоде с обратным смещением.

Ниже приведены наблюдения -

• Из-за действия схемы электроны материала N притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

• Каждый электрон, который движется или покидает диод, вызывает появление на своем месте положительного иона. В результате это вызывает эквивалентное увеличение ширины обедненной области на N-стороне перехода.

• Сторона P диода имеет такой же эффект, как и сторона N. При этом некоторое количество электронов покидает отрицательный полюс батареи и попадает в материал P-типа.

• Эти электроны сразу же перемещаются и заполняют ряд дырок. Каждая занятая дырка становится отрицательным ионом. Эти ионы, в свою очередь, отталкиваются отрицательной клеммой аккумулятора и направляются к месту соединения. Из-за этого происходит увеличение ширины обедненной области на P-стороне перехода.

Общая ширина обедненной области напрямую зависит от внешнего источника напряжения диода с обратным смещением. В этом случае диод не может эффективно поддерживать ток через широкую обедненную область. В результате на переходе начинает развиваться потенциальный заряд, который увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не сравняется с внешним напряжением смещения. После этого диод ведет себя как непроводник.

Важным ограничением проводимости диода с PN-переходом является leakage current. Когда диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается. Как правило, это условие требуется для ограничения накопления носителей тока возле перехода. Большинство носителей тока в основном отрицаются в обедненной области и, следовательно, обедненная область действует как изолятор. Обычно носители тока не проходят через изолятор.

Видно, что в диоде с обратным смещением через область обеднения протекает некоторый ток. Этот ток называется током утечки. Ток утечки зависит от неосновных носителей тока. Как мы знаем, неосновные носители - это электроны в материале P-типа и дырки в материале N-типа.

На следующем рисунке показано, как реагируют носители тока при обратном смещении диода.

Ниже приведены наблюдения -

• Незначительные носители каждого материала проталкиваются через зону истощения к стыку. Это действие вызывает очень небольшой ток утечки. Обычно ток утечки настолько мал, что им можно пренебречь.

• Здесь, в случае тока утечки, важную роль играет температура. Неосновные носители тока в основном зависят от температуры.

• При комнатной температуре 25 ° C или 78 ° F в диоде обратного смещения присутствует незначительное количество неосновных носителей.

• Когда окружающая температура повышается, это вызывает значительное увеличение образования неосновных носителей заряда и, как следствие, соответствующее увеличение тока утечки.

Во всех диодах с обратным смещением возникновение тока утечки до некоторой степени является нормальным явлением. В германиевых и кремниевых диодах ток утечки составляет всего несколько единиц.microamperes и nanoamperesсоответственно. Германий гораздо более чувствителен к температуре, чем кремний. По этой причине в современных полупроводниковых устройствах в основном используется кремний.

Существуют различные шкалы тока для операций прямого и обратного смещения. Передняя часть кривой показывает, что диод просто проводит, когда P-область становится положительной, а N-область - отрицательной.

Диод почти не проводит ток в направлении высокого сопротивления, то есть когда Pregion сделан отрицательным, а N-область сделана положительной. Теперь дырки и электроны отводятся от перехода, что приводит к увеличению барьерного потенциала. На это состояние указывает участок кривой обратного тока.

Пунктирная часть кривой указывает ideal curve, что могло бы произойти, если бы не сход лавины. На следующем рисунке показана статическая характеристика переходного диода.

Характеристики DIODE IV

Напряжение прямого и обратного тока (IV) диода обычно сравнивается на одной характеристической кривой. Рисунок в разделе «Прямые характеристики» показывает, что прямое и обратное напряжение обычно наносятся на горизонтальную линию графика.

Значения прямого и обратного тока показаны на вертикальной оси графика. Прямое напряжение представлено справа, а обратное напряжение - слева. Точка начала или нулевое значение находится в центре графика. Прямой ток удлиняется над горизонтальной осью, а обратный ток - вниз.

Комбинированные значения прямого напряжения и прямого тока расположены в верхней правой части графика, а обратное напряжение и обратный ток - в нижнем левом углу. Для отображения значений вперед и назад обычно используются разные шкалы.

Вперед Характеристика

Когда диод смещен в прямом направлении, он проводит ток (IF) в прямом направлении. Величина IF напрямую зависит от величины прямого напряжения. Связь прямого напряжения и прямого тока называется ампер-вольтной или ВАХ диода. Типичная прямая ВАХ диода показана на следующем рисунке.

Ниже приведены наблюдения -

• Прямое напряжение измеряется на диоде, а прямой ток - это мера тока через диод.

• Когда прямое напряжение на диоде равно 0 В, прямой ток (IF) равен 0 мА.

• Когда значение начинается с начальной точки (0) графика, если VF постепенно увеличивается с шагом 0,1 В, IF начинает расти.

• Когда значение VF достаточно велико для преодоления барьерного потенциала PN-перехода, происходит значительное увеличение IF. Точка, в которой это происходит, часто называется напряжением колена.V_K. Для германиевых диодовV_K составляет примерно 0,3 В, а для кремния 0,7 В.

• Если значение IF значительно превышает V_K, прямой ток становится довольно большим.

Эта операция вызывает чрезмерное нагревание перехода и может вывести из строя диод. Чтобы избежать этой ситуации, последовательно с диодом подключают защитный резистор. Этот резистор ограничивает прямой ток до максимального номинального значения. Обычно резистор, ограничивающий ток, используется, когда диоды работают в прямом направлении.

Обратная характеристика

Когда диод смещен в обратном направлении, он проводит обратный ток, который обычно довольно мал. Типичная обратная ВАХ диода показана на рисунке выше.

Вертикальная линия обратного тока на этом графике имеет значения тока, выраженные в микроамперах. Количество неосновных носителей тока, которые принимают участие в проведении обратного тока, довольно мало. В общем, это означает, что обратный ток остается постоянным на протяжении большей части обратного напряжения. Когда обратное напряжение диода увеличивается с самого начала, происходит очень небольшое изменение обратного тока. В точке напряжения пробоя (VBR) ток очень быстро увеличивается. Напряжение на диоде в это время остается достаточно постоянным.

Эта характеристика постоянного напряжения приводит к ряду применений диода в условиях обратного смещения. Процессы, ответственные за прохождение тока в диоде с обратным смещением, называютсяAvalanche breakdown и Zener breakdown.

Технические характеристики диодов

Как и любой другой выбор, необходимо учитывать выбор диода для конкретного применения. Производитель обычно предоставляет такую ​​информацию. Технические характеристики, такие как максимальное номинальное напряжение и ток, обычные условия эксплуатации, механические характеристики, идентификация проводов, процедуры монтажа и т. Д.

Ниже приведены некоторые из важных спецификаций -

• Maximum forward current (IFM) - Абсолютный максимальный повторяющийся прямой ток, который может пройти через диод.

• Maximum reverse voltage (VRM) - Абсолютное максимальное или пиковое напряжение обратного смещения, которое может быть приложено к диоду.

• Reverse breakdown voltage (VBR) - Минимальное установившееся обратное напряжение, при котором произойдет пробой.

• Maximum forward surge current (IFM-surge)- Максимальный ток, который можно выдерживать в течение короткого промежутка времени. Это текущее значение намного больше IFM.

• Maximum reverse current (IR) - Абсолютный максимальный обратный ток, допустимый при рабочей температуре устройства.

• Forward voltage (VF) - Максимальное падение прямого напряжения для данного прямого тока при рабочей температуре устройства.

• Power dissipation (PD) - Максимальная мощность, которую устройство может безопасно поглощать в непрерывном режиме на открытом воздухе при 25 ° C.

• Reverse recovery time (Trr) - Максимальное время, в течение которого устройство переключается с включения на выключение.

Важные термины

• Breakdown Voltage - Это минимальное напряжение обратного смещения, при котором PN-переход выходит из строя с внезапным повышением обратного тока.

• Knee Voltage - Это прямое напряжение, при котором ток через переход начинает быстро увеличиваться.

• Peak Inverse Voltage - Это максимальное обратное напряжение, которое можно приложить к PN-переходу, не повредив его.

• Maximum Forward Rating - Это самый высокий мгновенный прямой ток, который может пройти PN-переход, не повредив его.

• Maximum Power Rating - Это максимальная мощность, которая может быть отведена от разветвления без повреждения разветвления.

Светоизлучающие диоды прямо или косвенно влияют на нашу повседневную деятельность. Эти светодиоды есть везде, от дисплея сообщений до светодиодных телевизоров. По сути, это диод с PN-переходом, который излучает свет, когда через него проходит прямой ток. На следующем рисунке показан логический символ светодиода.

Как диод с PN-переходом излучает свет?

Светодиоды изготавливаются не из кремния или германия и таких элементов, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). Эти материалы используются сознательно, поскольку они излучают свет. Следовательно, когда светодиод смещен в прямом направлении, как обычно, электроны пересекают переход и объединяются с дырками.

Это действие заставляет электроны области N-типа выпадать из зоны проводимости и возвращаться в валентную зону. При этом высвобождается энергия, которой обладает каждый свободный электрон. Часть выделяемой энергии выделяется в виде тепла, а остальная часть - в виде энергии видимого света.

Если светодиоды изготовлены из кремния и германия, то при рекомбинации электронов вся энергия рассеивается только в виде тепла. С другой стороны, такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP), обладают достаточным количеством фотонов, которых достаточно для получения видимого света.

• Если светодиоды изготовлены из арсенида галлия, они излучают красный свет.
• Если светодиоды изготовлены из фосфида галлия, то такие светодиоды излучают зеленый свет.

Теперь рассмотрим два светодиода, подключенных друг к другу через внешний источник напряжения, так что анод одного светодиода подключен к катоду другого светодиода или наоборот. Когда на эту схему подается внешнее напряжение, один светодиод будет работать одновременно, и из-за этого действия схемы он излучает другой свет, когда один светодиод смещен в прямом направлении, а другой - в обратном или наоборот.

Преимущества светодиодов

Светодиоды обладают следующими преимуществами -

• Достаточно маленький по размеру.
• Очень быстрое переключение.
• Может работать с очень низким напряжением.
• Очень долгая продолжительность жизни.
• Технология строительства позволяет изготавливать изделия различных форм и узоров.

Применение светодиодов

Светодиоды в основном используются в цифровых дисплеях, указывающих числа от 0 до 9. Они также используются в seven-segment display встречается в цифровых счетчиках, часах, калькуляторах и т. д.

Это особый тип полупроводникового диода, который предназначен для работы в области обратного пробоя. На следующем рисунке изображена кристаллическая структура и обозначение стабилитрона. Он в основном похож на обычный диод. Однако сделана небольшая модификация, чтобы отличить его от условного обозначения обычного диода. Изогнутая линия обозначает букву «Z» стабилитрона.

Наиболее существенное различие между стабилитронами и обычными диодами с PN переходом заключается в том, в каком режиме они используются в схемах. Эти диоды обычно работают только в обратном направлении смещения, что означает, что анод должен быть подключен к отрицательной стороне источника напряжения, а катод - к положительной стороне.

Если обычный диод используется так же, как стабилитрон, он будет разрушен из-за чрезмерного тока. Это свойство делает стабилитрон менее значимым.

На следующем рисунке показан стабилизатор со стабилитроном.

Стабилитрон включен в обратном направлении смещения через нерегулируемый источник постоянного тока. Он сильно легирован, что снижает обратное напряжение пробоя. В результате образуется очень тонкий слой истощения. За счет этого стабилитрон имеет резкое обратное напряжение пробоя.V_z.

В соответствии с действием схемы, пробой происходит резко с внезапным увеличением тока, как показано на следующем рисунке.

вольтаж V_zостается постоянным при увеличении тока. Благодаря этому свойству стабилитрон широко используется для регулирования напряжения. Он обеспечивает практически постоянное выходное напряжение независимо от изменения тока через стабилитрон. Таким образом, напряжение нагрузки остается на постоянном значении.

Мы можем видеть, что при определенном обратном напряжении, известном как напряжение колена, ток резко увеличивается с постоянным напряжением. Благодаря этому свойству стабилитроны широко используются для стабилизации напряжения.

Фотодиод - это диод с PN переходом, который будет проводить ток при воздействии света. Этот диод фактически предназначен для работы в режиме обратного смещения. Это означает, что чем больше интенсивность падающего света, тем больше будет обратный ток смещения.

На следующем рисунке показаны схематический символ и детали конструкции фотодиода.

Работа фотодиода

Это reverse-biased diode. Обратный ток увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Это означает, что обратный ток прямо пропорционален интенсивности падающего света.

Он состоит из PN-перехода, установленного на подложке P-типа и помещенного в металлический корпус. Точка соединения сделана из прозрачной линзы, и это окно, куда должен падать свет.

Как мы знаем, когда диод с PN-переходом имеет обратное смещение, протекает очень небольшое количество обратного тока. Обратный ток генерируется термически электронно-дырочными парами в обедненной области диода.

Когда свет падает на PN переход, он поглощается переходом. Это создаст больше электронно-дырочных пар. Или, что характерно, можно сказать, что величина обратного тока увеличивается.

Другими словами, по мере увеличения интенсивности падающего света сопротивление диода с PN-переходом уменьшается.

• Это действие делает диод более проводящим.
• Эти диоды имеют очень быстрое время отклика.
• Они используются в высокопроизводительных вычислительных устройствах.
• Он также используется в цепях сигнализации, цепях счетчиков и т. Д.

Базовый фотоэлектрический элемент состоит из полупроводников n-типа и p-типа, образующих pn переход. Верхняя часть удлиненная и прозрачная, как правило, на солнце. Эти диоды или элементы являются исключительными, они генерируют напряжение при воздействии света. Клетки преобразуют световую энергию непосредственно в электрическую.

На следующем рисунке показан symbol of photovoltaic cell.

Работа фотоэлектрического элемента

Конструкция фотоэлектрического элемента аналогична конструкции диода с PN переходом. При отсутствии освещения через устройство не протекает ток. В этом состоянии ячейка не может генерировать ток.

Важно правильно смещать ячейку, для чего требуется изрядное количество света. Как только подается свет, можно наблюдать замечательное состояние диода с PN переходом. В результате электроны приобретают достаточную энергию и отрываются от родительских атомов. Эти вновь созданные электронно-дырочные пары в обедненной области пересекают переход.

При этом электроны перемещаются в материал N-типа из-за его нормальной концентрации положительных ионов. Аналогичным образом дыры проникают в материал P-типа из-за содержания в нем отрицательных ионов. Это заставляет материал типа N мгновенно принимать отрицательный заряд, а материал P - положительный. Затем PN-переход выдает небольшое напряжение в качестве ответа.

Характеристики фотоэлемента

На следующем рисунке слева показана одна из характеристик, график между обратным током (I _R ) и освещенностью (E) фотодиода. ИК-излучение измеряется по вертикальной оси, а освещенность - по горизонтальной оси. График представляет собой прямую линию, проходящую через нулевую позицию.

т.е. I _R = mE

m = наклон прямой линии графика

Параметр m это чувствительность диода.

На рисунке справа показана другая характеристика фотодиода, график между обратным током (I _R ) и обратным напряжением фотодиода. Из графика видно, что при заданном обратном напряжении обратный ток увеличивается по мере увеличения освещенности на PN-переходе.

Эти элементы обычно подают электроэнергию на нагрузочное устройство при включении света. Если требуется большее напряжение, используется массив этих ячеек, чтобы обеспечить то же самое. По этой причине фотоэлектрические элементы используются в приложениях, где доступны высокие уровни световой энергии.

Это специальный диод с PN-переходом с непостоянной концентрацией примесей в материалах PN-перехода. В нормальном диоде с PN-переходом легирующие примеси обычно равномерно распределены по всему материалу. Варакторный диод легирован очень небольшим количеством примесей вблизи перехода, и концентрация примесей увеличивается при удалении от перехода.

В обычном диоде с переходом обедненная область - это область, которая разделяет материалы P и N. Область истощения образуется вначале, когда первоначально формируется переход. В этой области нет носителей тока, и поэтому область обеднения действует как диэлектрическая среда или изолятор.

Материал P-типа с дырками в качестве основных носителей заряда и материал N-типа с электронами в качестве основных носителей теперь действуют как заряженные пластины. Таким образом, диод можно рассматривать как конденсатор с противоположно заряженными пластинами N- и P-типа, а область обеднения действует как диэлектрик. Как мы знаем, материалы P и N, будучи полупроводниками, разделены изолятором обедненной области.

Диоды, которые предназначены для реакции на эффект емкости при обратном смещении, называются varactors, varicap diodes, или же voltage-variable capacitors.

На следующем рисунке показан символ варакторного диода.

Варакторные диоды обычно работают в режиме обратного смещения. Когда обратное смещение увеличивается, ширина обедненной области также увеличивается, что приводит к уменьшению емкости. Это означает, что при уменьшении обратного смещения можно увидеть соответствующее увеличение емкости. Таким образом, емкость диода изменяется обратно пропорционально напряжению смещения. Обычно это не линейно. Он работает в диапазоне от нуля до обратного напряжения пробоя.

Емкость варакторного диода выражается как -

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T = Общая емкость перехода

• E = Диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала

• A = Площадь поперечного сечения стыка

• W_d = Ширина истощающего слоя

Эти диоды используются в различных СВЧ-устройствах. Варакторные диоды также используются в резонансных цепях, где требуется некоторый уровень настройки напряжения или управления частотой. Этот диод также используется в автоматическом контроле частоты (AFC) в FM-радио и телевизионных приемниках.

Биполярные транзисторы в основном состоят из двух слоев полупроводникового материала противоположного типа, соединенных спина к спине. Тип примеси, добавленной к кремнию или германию, определяет полярность, когда она образуется.

NPN транзистор

Транзистор NPN состоит из двух материалов типа N, разделенных тонким слоем полупроводникового материала P-типа. Кристаллическая структура и схематическое обозначение NPN-транзистора показаны на рисунке выше.

Из каждого типа материала, признанного emitter, base, и collector. В символе, когда стрелка излучателя направлена ​​наружу от основания, это указывает на то, что устройство относится к типу NPN.

PNP транзистор

Транзистор PNP состоит из двух материалов P-типа, разделенных тонким слоем полупроводникового материала N-типа. Кристаллическая структура и схематическое обозначение транзистора PNP показаны ниже.

В символе, когда стрелка излучателя направлена ​​внутрь к основанию, это указывает на то, что устройство относится к типу PNP.

Ниже приведены некоторые методы производства, используемые при строительстве транзистора.

Тип диффузии

В этом методе полупроводниковая пластина подвергается некоторой газовой диффузии примесей как N-типа, так и P-типа с образованием эмиттерных и коллекторных переходов. Во-первых, соединение база-коллектор определяется и фототравливается непосредственно перед диффузией базы. Позже излучатель рассеивается на базе. Транзисторы, изготовленные по этой технологии, имеют лучший коэффициент шума, также заметно улучшение коэффициента усиления по току.

Выращенный Тип

Он формируется путем вытягивания монокристалла из расплавленного кремния или германия. Необходимая концентрация примеси добавляется во время операции вытяжки кристалла.

Эпитаксиальный Тип

Тонкий монокристаллический слой кремния или германия очень высокой чистоты выращивают на сильно легированной подложке того же типа. Эта улучшенная версия кристалла образует коллектор, на котором сформированы эмиттерный и базовый переходы.

Тип сплава

В этом методе основная часть изготавливается из тонкого среза материала N-типа. На противоположных сторонах среза прикреплены две маленькие точки индия, и все образование сохраняется при высокой температуре в течение более короткого времени. Температура должна быть выше температуры плавления индия и ниже температуры германия. Этот метод также известен как сплавное строительство.

Тип с электрохимическим травлением

В этом методе на противоположных сторонах полупроводниковой пластины вытравливают углубления, чтобы уменьшить ширину базовой области. Затем в область впадин наносят гальваническое покрытие подходящим металлом, чтобы сформировать эмиттерный и коллекторный переходы.

Транзисторы имеют три секции, а именно - emitter, то base, а collector.

• В base намного тоньше эмиттера, а коллектор сравнительно шире обоих.

• В emitter сильно легирован, так что он может инжектировать большое количество носителей заряда для проведения тока.

• База передает большую часть носителей заряда на коллектор, поскольку она сравнительно слабо легирована, чем эмиттер и коллектор.

Для правильного функционирования транзистора область эмиттер-база должна иметь прямое смещение, а область коллектор-база - обратное.

В полупроводниковых схемах напряжение источника называется напряжением смещения. Для работы биполярные транзисторы должны иметь смещенные переходы. Это условие заставляет ток течь через цепь. Область истощения устройства уменьшается, и большинство носителей тока инжектируются в сторону перехода. При работе один из переходов транзистора должен быть смещен в прямом направлении, а другой - в обратном.

Работа транзистора NPN

Как показано на приведенном выше рисунке, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении. Прямое смещение на переходе эмиттер-база заставляет электроны течь от эмиттера N-типа в сторону смещения. Это условие формулирует ток эмиттера (I _E ).

Проходя через материал P-типа, электроны имеют тенденцию объединяться с дырками, обычно очень небольшими, и составляют базовый ток (I _B ). Остальные электроны пересекают тонкую обедненную область и достигают области коллектора. Этот ток составляет ток коллектора (I _C ).

Другими словами, ток эмиттера фактически протекает через цепь коллектора. Следовательно, можно считать, что ток эмиттера является суммой тока базы и коллектора. Это может быть выражено как,

I _E = I _B + I _C

Работа транзистора PNP

Как показано на следующем рисунке, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении. Прямое смещение на переходе между эмиттером и базой заставляет отверстия течь от эмиттера P-типа в сторону смещения. Это условие формулирует ток эмиттера (I _E ).

Пересекая материал N-типа, электроны имеют тенденцию объединяться с электронами, обычно очень небольшими, и составляют базовый ток (I _B ). Остальные отверстия пересекают тонкую обедненную область и достигают области коллектора. Этот ток составляет ток коллектора (I _C ).

Другими словами, ток эмиттера фактически протекает через цепь коллектора. Следовательно, можно считать, что ток эмиттера является суммой тока базы и коллектора. Это может быть выражено как,

I _E = I _B + I _C

Когда в цепь включен транзистор, требуются четыре вывода или вывода или ножки, по два для входа и выхода. Поскольку мы знаем, что транзисторы имеют только 3 вывода, эту ситуацию можно решить, сделав один вывод общим для входной и выходной секции. Соответственно, транзистор может быть подключен в трех следующих конфигурациях:

• Общая базовая конфигурация
• Общая конфигурация эмиттера
• Общая конфигурация сборщика

Ниже приведены некоторые важные моменты, которые следует учитывать при работе транзисторов.

• Транзистор может работать в трех областях: активная область, область насыщения и область отсечки.

• При использовании транзистора в активной области переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении.

• При использовании транзистора в области насыщения переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база также смещен в прямом направлении.

• При использовании транзистора в области отсечки и переход база-эмиттер, и переход коллектор-база имеют обратное смещение.

Сравнение конфигурации транзисторов

В следующей таблице показано сравнение конфигурации транзисторов.

Характеристики	Общий эмиттер	Общая база	Общий Коллекционер
Текущая прибыль	Высоко	Нет	Значительный
Приложения	Частота звука	Высокая частота	Согласование импеданса
Входное сопротивление	Низкий	Низкий	Очень высоко
Выходное сопротивление	Высоко	Очень высоко	Низкий
Повышение напряжения	Прибл. 500	Прибл. 150	Менее 1

Преимущества и недостатки транзисторов

В следующей таблице перечислены преимущества и недостатки транзисторов.

Преимущества	Недостатки
Низкое напряжение источника	Температурная зависимость
Усиление высокого напряжения	Низкое рассеивание мощности
Меньше по размеру	Низкое входное сопротивление

Текущий коэффициент усиления (α)

Отношение изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при постоянном напряжении коллектора к напряжению базы V_cb известен как коэффициент усиления тока ‘α’. Это можно выразить как

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ при постоянном V _CB

Понятно, что коэффициент усиления по току меньше единицы и обратно пропорционален току базы, считая, что база слаболегированная и тонкая.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Это отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Небольшое изменение тока базы приводит к очень большому изменению тока коллектора. Следовательно, транзистор может достигать усиления по току. Это можно выразить как

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

Транзистор как усилитель

На следующем рисунке показано, что нагрузочный резистор (R _L ) включен последовательно с питающим напряжением коллектора (V _cc ). Небольшое изменение напряженияΔV_i между эмиттером и базой вызывает относительно большое изменение тока эмиттера ΔI_E.

Мы определяем символом «а» - долю этого текущего изменения, - которое собирается и проходит через R_L. Изменение выходного напряжения на нагрузочном резистореΔV_o = a’RL ΔI_Eможет быть во много раз изменения входного напряжения & Dgr ; v _I . В этих условиях усиление напряженияA == V_O/ΔV_I будет больше единицы, и транзистор действует как усилитель.

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор. Его работа основана на контролируемом входном напряжении. По внешнему виду JFET и биполярные транзисторы очень похожи. Однако BJT - это устройство, управляемое током, а JFET управляется входным напряжением. Чаще всего доступны два типа полевых транзисторов.

• Переходный полевой транзистор (JFET)
• Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (IGFET)

Переходный полевой транзистор

Функционирование Junction Field Effect Transistor зависит только от потока основных носителей (электронов или дырок). По сути, JFET-транзисторы состоят изN введите или Pкремниевый стержень типа с PN-переходами по бокам. Ниже приведены некоторые важные моменты, которые следует помнить о полевых транзисторах.

• Gate- При использовании технологии диффузии или легирования обе стороны стержня типа N сильно легированы для создания PN-перехода. Эти легированные области называются затвором (G).

• Source - Это точка входа для большинства носителей заряда, через которую они входят в полупроводниковую планку.

• Drain - Это точка выхода основных носителей заряда, через которую они покидают полупроводниковую планку.

• Channel - Это область материала типа N, через которую проходят основные носители от истока к стоку.

В полевых полупроводниковых устройствах обычно используются два типа полевых транзисторов: N-Channel JFET и P-Channel JFET.

N-канальный JFET

Он имеет тонкий слой материала N-типа, сформированный на подложке P-типа. На следующем рисунке показана кристаллическая структура и схематический символ N-канального JFET. Затем из материала P-типа поверх N-образного канала формируется вентиль. В конце канала и затвора прикреплены подводящие провода, а подложка не имеет соединения.

Когда источник постоянного напряжения подключен к истоку и стокам полевого транзистора, через канал будет протекать максимальный ток. Одинаковое количество тока будет течь от истока и стока. Величина протекания тока в канале будет определяться значением V _DD и внутренним сопротивлением канала.

Типичное значение сопротивления исток-сток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом. Понятно, что даже при открытом затворе в канале будет иметь место полная проводимость тока. По сути, величина напряжения смещения, приложенного к ID, контролирует поток носителей тока, проходящих через канал JFET. При небольшом изменении напряжения на затворе JFET может управляться в любом месте между полной проводимостью и состоянием отсечки.

P-канальные полевые транзисторы

Он имеет тонкий слой материала P-типа, сформированный на подложке N-типа. На следующем рисунке показана кристаллическая структура и схематический символ N-канального полевого транзистора. Затвор образован поверх P-канала из материала N-типа. В конце канала и затвора крепятся подводящие провода. Остальные детали конструкции аналогичны конструкции N-канального JFET.

Обычно для обычной работы вывод затвора делается положительным по отношению к выводу истока. Размер обедненного слоя PN-перехода зависит от флуктуаций значений обратного смещенного напряжения затвора. При небольшом изменении напряжения на затворе JFET может управляться в любом месте между полной проводимостью и состоянием отсечки.

Выходные характеристики JFET

Выходные характеристики полевого транзистора показаны между током стока (I _D ) и напряжением стока истока (V _DS ) при постоянном напряжении затвора истока (V _GS ), как показано на следующем рисунке.

Первоначально ток стока (I _D ) быстро увеличивается с напряжением стока-истока (V _DS ), однако внезапно становится постоянным при напряжении, известном как напряжение отсечки (V _P ). Выше напряжения отсечки ширина канала становится настолько узкой, что пропускает через него очень небольшой ток стока. Следовательно, ток стока (I _D ) остается постоянным выше напряжения отсечки.

Параметры JFET

Основные параметры JFET -

• Сопротивление стока переменного тока (Rd)
• Transconductance
• Коэффициент усиления

AC drain resistance (R_d)- Это отношение изменения напряжения стока истока (ΔV _DS ) к изменению тока стока (ΔI _D ) при постоянном напряжении затвор-исток. Это может быть выражено как,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) при постоянном V _GS

Transconductance (g_fs)- Это отношение изменения тока стока (ΔI _D ) к изменению напряжения затвора-истока (ΔV _GS ) при постоянном напряжении сток-исток. Это может быть выражено как,

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) при постоянном V _DS

Amplification Factor (u)- Это отношение изменения напряжения сток-исток (ΔV _DS ) к изменению напряжения затвора истока (ΔV _GS ) постоянного тока стока (ΔI _D ). Это может быть выражено как,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) при постоянном I _D

Для смещения JFET используются два метода: метод самосмещения и метод потенциального делителя. В этой главе мы подробно обсудим эти два метода.

Метод самосмещения

На следующем рисунке показан метод самосмещения n-канального JFET. Ток стока протекает черезR_sи выдает необходимое напряжение смещения. Следовательно,R_s резистор смещения.

Следовательно, напряжение на резисторе смещения,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Как мы знаем, ток затвора пренебрежимо мал, вывод затвора находится на земле постоянного тока, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

Или $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GS сохраняет отрицательное значение затвора относительно источника.

Метод делителя напряжения

На следующем рисунке показан метод смещения полевых транзисторов с помощью делителя напряжения. Здесь резисторы R ₁ и R ₂ образуют схему делителя напряжения на напряжении питания стока (V _DD ), и она более или менее идентична той, которая используется при смещении транзистора.

Напряжение на R ₂ обеспечивает необходимое смещение -

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ times R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

Или $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

Схема спроектирована так, что V _GS всегда отрицательный. Рабочую точку можно найти по следующей формуле -

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

и $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, также известные как МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются новым дополнением к семейству полевых транзисторов.

Он имеет слаболегированную подложку P-типа, в которой рассеиваются две сильно легированные зоны N-типа. Уникальной особенностью этого устройства является конструкция ворот. Здесь ворота полностью изолированы от канала. Когда напряжение подается на затвор, он разовьёт электростатический заряд.

В этот момент ток не может протекать в области затвора устройства. Также затвор - это участок устройства, покрытый металлом. Обычно диоксид кремния используется в качестве изоляционного материала между затвором и каналом. По этой причине он также известен какinsulated gate FET. Широко используются два полевых МОП-транзистора: i) полевой МОП-транзистор с истощением; 2) полевой МОП-транзистор расширения.

D МОП-транзистор

На следующих рисунках показан n-канальный D-MOSFET и символ. Затвор образует конденсатор с затвором в виде одной пластины, а другая пластина представляет собой канал со слоем SiO _{2 в} качестве диэлектрика. Когда напряжение затвора изменяется, электрическое поле конденсатора изменяется, что, в свою очередь, изменяет сопротивление n-канала.

В этом случае мы можем подавать на затвор положительное или отрицательное напряжение. Когда MOSFET работает с отрицательным напряжением затвора, это называется режимом истощения, а когда он работает с положительным напряжением затвора, он называется режимом улучшения работы MOSFET.

Режим истощения

На следующем рисунке показан n-канальный D-MOSFET в режиме истощения.

Его работа выглядит следующим образом -

• Большинство электронов доступно на затворе, поскольку затвор отрицательный и отталкивает электроны n канал.

• Это действие оставляет положительные ионы в части канала. Другими словами, некоторые из свободных электроновnканал истощены. В результате меньше электронов доступно для прохождения тока черезn канал.

• Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше ток от истока к стоку. Таким образом, мы можем изменять сопротивление канала n и ток от истока к стоку, изменяя отрицательное напряжение на затворе.

Режим улучшения

На следующем рисунке показан полевой МОП-транзистор с n каналом D в расширенном режиме работы. Здесь затвор действует как конденсатор. Однако в этом случае вентиль положительный. Это провоцирует электроны вn канал и количество электронов увеличивается в n канал.

Положительное напряжение на затворе увеличивает или увеличивает проводимость канала. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость от истока к стоку.

Таким образом, мы можем изменять сопротивление канала n и ток от истока к стоку, изменяя положительное напряжение на затворе.

Передаточные характеристики D - MOSFET

На следующем рисунке показаны передаточные характеристики D-MOSFET.

Когда V _GS становится отрицательным, I _D падает ниже значения I _DSS , пока не достигнет нуля и V _GS = V _GS (выкл.) (Режим истощения). Когда V _GS равно нулю, I _D = I _DSS, потому что клеммы затвора и истока закорочены. I _D увеличивается выше значения I _DSS , когда V _GS положительный и полевой МОП-транзистор находится в режиме улучшения.

Операционный усилитель, или операционный усилитель, представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Операционные усилители обычно используются для изменения амплитуды напряжения, генераторов, цепей фильтров и т. Д. Операционный усилитель может содержать несколько каскадов дифференциального усилителя для достижения очень высокого усиления по напряжению.

Это дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, использующий прямую связь между выходом и входом. Это подходит как для постоянного, так и для переменного тока. Операционные усилители выполняют множество электронных функций, таких как измерительные приборы, генераторы сигналов, активные фильтры и т. Д., Помимо различных математических операций. Это универсальное устройство также используется во многих нелинейных приложениях, таких как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи, логарифмические усилители, генераторы нелинейных функций и т. Д.

Базовый дифференциальный усилитель

На следующем рисунке показан базовый дифференциальный усилитель -

На рисунке выше -

• V_DI = дифференциальный вход

• V_DI= V ₁ - V ₂

• V_DO = дифференциальный выход

• V_DO= V _C1 - V _C2

Этот усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами, V ₁ и V ₂ .

Коэффициент усиления дифференциального напряжения,

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

и

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

Как показано на следующем рисунке, базовый операционный усилитель состоит из трех каскадов:

Входной этап

Это первый этап, который имеет следующие характеристики.

• Высокий CMR (подавление синфазного сигнала)
• Высокое входное сопротивление
• Широкая ширина полосы
• Низкое (DC) смещение входа

Это некоторые важные характеристики для работы операционного усилителя. Этот каскад состоит из каскада дифференциального усилителя и транзистора, смещенного так, что он действует как источник постоянного тока. Источник постоянного тока значительно увеличивает CMR дифференциального усилителя.

Ниже приведены два входа к дифференциальному усилителю.

• V ₁ = неинвертирующий вход
• V ₂ = инвертирующий вход

Промежуточный этап

Это вторая ступень, предназначенная для улучшения усиления по напряжению и току. Коэффициент усиления по току необходим для подачи тока, достаточного для управления выходным каскадом, на котором вырабатывается большая часть мощности операционного усилителя. Этот каскад состоит из одного или нескольких дифференциальных усилителей, за которыми следуют эмиттерный повторитель и каскад сдвига уровня постоянного тока. Схема сдвига уровня позволяет усилителю иметь два дифференциальных входа с одним выходом.

V вых = + ve	когда V 1 > V 2
V вне = -ve	когда V 2 <V 1
V вых = 0	когда V 1 = V 2

Выходной каскад

Это последний каскад операционного усилителя, который имеет низкий выходной импеданс. Это обеспечивает необходимый ток для управления нагрузкой. Более или менее ток будет потребляться от выходного каскада при изменении нагрузки. Поэтому важно, чтобы предыдущая ступень работала без влияния выходной нагрузки. Это требование удовлетворяется за счет разработки этого каскада с высоким входным импедансом и высоким коэффициентом усиления по току, но с низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель имеет два входа: Non-inverting input и Inverting input.

На приведенном выше рисунке показан операционный усилитель инвертирующего типа. Сигнал, который подается на инвертирующий входной терминал, усиливается, однако выходной сигнал не совпадает по фазе с входным сигналом на 180 градусов. Сигнал, подаваемый на неинвертирующий входной терминал, усиливается, и выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом.

Операционный усилитель можно подключать к большому количеству цепей для обеспечения различных рабочих характеристик.

Инвертирующий усилитель

На следующем рисунке показан инвертирующий усилитель. Входной сигнал усиливается и инвертируется. Это наиболее широко используемая схема усилителя с постоянным усилением.

V _о = -R _е .В _в / R ₁

Коэффициент усиления по напряжению A = (-R _f / R ₁ )

Неинвертирующий усилитель

На следующем рисунке показана схема операционного усилителя, которая работает как неинвертирующий усилитель или умножитель с постоянным усилением и имеет лучшую стабильность частоты.

Входной сигнал усиливается, но не инвертируется.

Выход V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Коэффициент усиления по напряжению A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Инвертирующий суммирующий усилитель

На следующем рисунке показан инвертирующий суммирующий усилитель. Это наиболее часто используемая схема операционного усилителя. На схеме показан суммирующий усилитель с тремя входами, который обеспечивает средство алгебраического суммирования трех напряжений, каждое из которых умножается на коэффициент постоянного усиления. Выходное напряжение выражается как,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Если, R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

На следующем рисунке показано, что в качестве компонента обратной связи используется конденсатор, а полученное соединение называется интегратором.

Эквивалент виртуальной земли показывает, что выражение для напряжения между входом и выходом может быть получено в терминах тока (I) от входа к выходу. Напомним, что виртуальная земля означает, что мы можем рассматривать напряжение на стыке R и X _C как заземление (поскольку V _i ≈ 0 В), однако в этой точке ток не идет в землю. Емкостный импеданс можно выразить как

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

где s= jw, как в обозначениях Лапласа. Решение уравнения для $ V_o / V_i $ дает следующее уравнение

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

Его можно записать во временной области как

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

Схема дифференциатора показана на следующем рисунке.

Дифференциатор обеспечивает полезную операцию, результирующее соотношение для схемы

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

Ниже приведены некоторые важные параметры операционного усилителя -

Коэффициент усиления разомкнутого контура (AVOL)

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя - это его дифференциальный коэффициент усиления в условиях, когда отрицательная обратная связь не используется. AVOL колеблется от 74 до 100 дБ.

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

Выходное напряжение смещения (VOO)

Выходное напряжение смещения операционного усилителя - это его выходное напряжение, когда его дифференциальное входное напряжение равно нулю.

Подавление синфазного сигнала (CMR)

Если оба входа имеют одинаковый потенциал, что приводит к нулю дифференциального входа, и если выход равен нулю, говорят, что операционный усилитель имеет хорошее подавление синфазного сигнала.

Синфазное усиление (переменный ток)

Коэффициент усиления синфазного сигнала операционного усилителя - это отношение выходного напряжения синфазного режима к входному напряжению синфазного сигнала.

Дифференциальное усиление (AD)

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя - это отношение выходного сигнала к дифференциальному входу.

Ad = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

CMRR операционного усилителя определяется как отношение дифференциального усиления с обратной связью к синфазному усилению.

CMRR = Ad / AC

Скорость нарастания (SR)

Скорость нарастания - это скорость изменения выходного напряжения, вызванная скачком входного напряжения. Идеальная скорость нарастания - бесконечна, что означает, что выход операционного усилителя должен мгновенно изменяться в ответ на ступенчатое входное напряжение.

Мы уже обсудили некоторые применения операционных усилителей, такие как дифференциатор, интегратор, суммирующий усилитель и т. Д. Некоторые другие распространенные применения операционных усилителей:

• Логарифмический усилитель
• Гиратор (симулятор индуктивности)
• Повторитель постоянного и переменного напряжения
• Аналого-цифровой преобразователь
• Цифро-аналоговый преобразователь
• Источники питания для защиты от перенапряжения
• Индикатор полярности
• Повторитель напряжения
• Активные фильтры

Генератор - это электронная схема, которая генерирует синусоидальные колебания, известные как sinusoidal oscillator. Он преобразует входную энергию от источника постоянного тока в выходную энергию переменного тока периодической формы волны с определенной частотой и известной амплитудой. Характерной особенностью генератора является то, что он поддерживает выход переменного тока.

На следующем рисунке показан усилитель с сигналом обратной связи даже в отсутствие внешнего входного сигнала. Синусоидальный генератор - это, по сути, форма усилителя обратной связи, где особые требования предъявляются к усилению напряжения.A_v и сети обратной связи β.

Рассмотрим усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке, где напряжение обратной связи V _f = βV _O обеспечивает все входное напряжение.

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ Или $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

Если необходимо создать выходное напряжение, входное напряжение не может быть нулевым. Следовательно, для существования V _i уравнение (2) требует, чтобы

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Или $ A_V \ beta = 1 $ (3)

Уравнение (3) известно как “Barkhausen criterion”, который устанавливает два основных требования к колебаниям -

• Коэффициент усиления по напряжению вокруг усилителя и контура обратной связи, называемый усилением контура, должен быть равен единице или $ A_V \ beta = 1 $.

• Фазовый сдвиг между $ V_i $ и $ V_f $, называемый фазовым сдвигом контура, должен быть равен нулю.

Если эти два условия удовлетворяются, усилитель обратной связи, показанный на приведенном выше рисунке, будет последовательно генерировать синусоидальную форму выходного сигнала.

Давайте теперь подробно обсудим некоторые типичные схемы генераторов.

Осциллятор фазового сдвига

Цепь генератора, которая следует за основным развитием цепи обратной связи, является генератором сдвига фазы. Генератор с фазовым сдвигом показан на следующем рисунке. Требования к колебаниям заключаются в том, чтобы коэффициент усиления контура (βA) был больше единицы, а фазовый сдвиг между входом и выходом должен составлять 360 ^o .

Обратная связь передается с выхода RC-цепи обратно на вход усилителя. Каскад усилителя на операционном усилителе обеспечивает начальный сдвиг на 180 градусов, а RC-цепь вносит дополнительный сдвиг фазы. На определенной частоте фазовый сдвиг, вносимый сетью, составляет точно 180 градусов, поэтому контур будет составлять 360 градусов, а напряжение обратной связи совпадает с фазным входным напряжением.

Минимальное количество RC-каскадов в цепи обратной связи - три, так как каждая секция обеспечивает 60 градусов фазового сдвига. Генератор RC идеально подходит для диапазона звуковых частот, от нескольких циклов до примерно 100 кГц. На более высоких частотах полное сопротивление сети становится настолько низким, что может серьезно нагружать усилитель, тем самым снижая его коэффициент усиления по напряжению ниже требуемого минимального значения, и колебания прекращаются.

На низких частотах эффект нагрузки обычно не является проблемой, и требуемые большие значения сопротивления и емкости легко доступны. Используя базовый анализ сети, колебания частоты можно выразить как

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Осциллятор моста Вина

Практическая схема генератора использует схему операционного усилителя и RC-моста, при этом частота генератора устанавливается R и Cсоставные части. На следующем рисунке показана базовая версия схемы генератора моста Вина.

Обратите внимание на базовое мостовое соединение. Резисторы R ₁ и R ₂ и конденсаторы C ₁ и C ₂ образуют элементы регулировки частоты, а резисторы R ₃ и R ₄ образуют часть цепи обратной связи.

В этом приложении входное напряжение (V _i ) моста является выходным напряжением усилителя, а выходное напряжение (V _o ) моста является обратной связью со входом усилителя. Пренебрегая эффектами нагрузки входного и выходного сопротивлений операционного усилителя, анализ мостовой схемы приводит к

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

и

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

Если R ₁ = R ₂ = R и C ₁ = C ₂ = C, результирующая частота генератора равна

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Осциллятор Хартли

На следующем рисунке показан осциллятор Хартли. Это одна из самых распространенных радиочастотных схем. Обычно он используется в качестве гетеродина в приемнике радиовещания. Биполярный плоскостной транзистор в общей эмиттерной связи является усилителем напряжения и смещается универсальной цепью смещения , состоящая из R ₁ , R ₂ , R _E . Конденсатор шунтирования эмиттера (C _E ) увеличивает коэффициент усиления по напряжению этого одиночного транзисторного каскада.

Радиочастотный дроссель (RFC) в цепи коллектора действует как разомкнутый контур на радиочастоте и предотвращает попадание радиочастотной энергии в источник питания. Контур резервуара состоит из L ₁ , L ₂ и C. Частота колебаний определяется величиной L ₁ , L ₂ и C и определяется колебаниями на резонансной частоте контура резервуара LC. Эта резонансная частота выражается как

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

Выходной сигнал может быть снят с коллектора посредством емкостной связи, при условии, что нагрузка велика и частота колебаний не изменяется.

Пьезоэлектричество

Пьезоэлектрические свойства проявляются рядом природных кристаллических веществ, наиболее важными из которых являются кварц, соль Рошеля и турмалин. Когда к этим материалам прикладывается синусоидальное напряжение, они вибрируют с частотой приложенного напряжения.

С другой стороны, когда эти материалы сжимаются и подвергаются механической деформации для вибрации, они создают эквивалентное синусоидальное напряжение. Поэтому эти материалы называют пьезоэлектрическими кристаллами. Кварц - самый популярный пьезоэлектрический кристалл.

Кристаллический осциллятор

Принципиальная схема кварцевого генератора показана на следующем рисунке.

Кристалл здесь действует как настроенная цепь. Эквивалентная схема кристалла приведена ниже.

Кварцевый генератор имеет две резонансные частоты: последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту.

Последовательная резонансная частота

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Параллельно-резонансная частота

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

Две резонансные частоты почти одинаковы, так как C / Cm очень мало. На рисунке выше кристалл подключен для работы в параллельном резонансном режиме.

Резисторы R ₁ , R ₂ , R _E и транзистор вместе образуют схему усилителя. Резисторы R ₁ и R ₂ обеспечивают смещение постоянного тока, стабилизированное по напряжению. Конденсатор (C _E ) обеспечивает обход переменного тока резистора эмиттера (R _E ), а RFC обеспечивает высокое сопротивление частоте, генерируемой генератором, так что они не попадают в линии питания.

Кристалл включен параллельно конденсаторам C ₁ и C ₂ и обеспечивает максимальную обратную связь по напряжению от коллектора к эмиттеру, когда его полное сопротивление является максимальным. На других частотах импеданс кристалла низок, и поэтому результирующая обратная связь слишком мала для поддержания колебаний. Частота генератора стабилизирована на параллельной резонансной частоте кристалла.

Основная цель цепи смещения - установить взаимосвязь между напряжением и током коллектор-база-эмиттер в рабочей точке схемы (рабочая точка также известна как точка покоя, точка Q, точка отсутствия сигнала, точка холостого хода, или статическая точка). Поскольку транзисторы редко работают в этой точке Q, основные схемы смещения обычно используются в качестве эталона или отправной точки для проектирования.

Фактическая конфигурация схемы и особенно значения схемы смещения выбираются на основе динамических условий схемы (желаемый размах выходного напряжения, ожидаемый уровень входного сигнала и т. Д.). После того, как желаемая рабочая точка установлена, следующей функцией сети смещения является для стабилизации схемы усилителя на этом этапе. Базовая схема смещения должна поддерживать желаемое соотношение токов при наличии изменений температуры и питания, а также при возможной замене транзистора.

В некоторых случаях изменения частоты и изменения, снова вызванные компонентом, также должны компенсироваться сетью смещения. Этот процесс обычно называют стабилизацией смещения. Правильная стабилизация смещения будет поддерживать схему усилителя в желаемой рабочей точке (в практических пределах) и предотвратит тепловой пробой.

Фактор стабильности 'S'

Он определяется как скорость изменения тока коллектора относительно обратного тока насыщения при сохранении постоянных β и V _BE . Это выражается как

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Методы стабилизации смещения

Метод обеспечения независимости рабочей точки от изменений температуры или параметров транзисторов известен как stabilization. Существует несколько схем стабилизации смещения твердотельных усилителей. Все эти схемы используют форму отрицательной обратной связи. То есть любой каскад транзисторных токов вызывает соответствующее изменение напряжения или тока, которое стремится уравновесить первоначальное изменение.

Существует два основных метода создания отрицательной обратной связи: обратная связь по напряжению и обратная связь по току.

Обратная связь по напряжению

На следующем рисунке показана базовая схема цепи обратного смещения. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении напряжением на переходе R ₁ и R ₂ . Переход база-коллектор имеет обратное смещение из-за разницы между напряжениями на коллекторе и базе.

Обычно коллектор усилителя с резистивной связью находится под напряжением примерно вдвое меньше напряжения питающего резистора (R ₃ ), подключенного между коллектором и базой. Поскольку напряжение коллектора положительное, часть этого напряжения передается по обратной связи на базу для поддержки прямого смещения.

Нормальное (или точка Q) прямое смещение на переходе эмиттер-база является результатом всех напряжений между эмиттером и базой. Когда ток коллектора увеличивается, на R _L возникает большее падение напряжения . В результате напряжение на коллекторе уменьшается, уменьшая обратную связь по напряжению с базой через R ₃ . Это уменьшает прямое смещение эмиттер-база, уменьшая ток эмиттера и понижая ток коллектора до его нормального значения. Когда происходит начальное уменьшение тока коллектора, происходит противоположное действие, и ток коллектора повышается до своего нормального (точка Q) значения.

Любая форма отрицательной или обратной обратной связи в усилителе имеет тенденцию противодействовать всем изменениям, даже тем, которые производятся усиливаемым сигналом. Эта обратная или отрицательная обратная связь имеет тенденцию к снижению и стабилизации усиления, а также к нежелательным изменениям. Этот принцип стабилизации усиления посредством обратной связи используется почти во всех типах усилителей.

Обратно-токовая обратная связь

На следующем рисунке показана характерная схема смещения обратного тока (эмиттер-обратная связь), использующая транзистор NPN. Обратная связь по току используется чаще, чем обратная связь по напряжению в твердотельных усилителях. Это связано с тем, что транзисторы в основном представляют собой устройства, работающие от тока, а не от напряжения.

Использование сопротивления эмиттер-обратная связь в любой цепи смещения можно резюмировать следующим образом: Базовый ток зависит от разницы в напряжении между базой и эмиттером. Если дифференциальное напряжение понижено, ток базы будет меньше.

Обратное верно, когда дифференциал увеличивается. Весь ток течет через коллектор. Напряжение на эмиттерном резисторе падает и поэтому не полностью зависит. По мере увеличения тока коллектора, ток эмиттера и падение напряжения на резисторе эмиттера также увеличиваются. Эта отрицательная обратная связь имеет тенденцию к уменьшению разницы между базой и эмиттером, тем самым снижая ток базы. В свою очередь, более низкий базовый ток имеет тенденцию к уменьшению тока коллектора, а уравновешивает увеличение начального тока коллектора.

Компенсация смещения

В твердотельных усилителях, когда потеря усиления сигнала недопустима в конкретном приложении, часто используются методы компенсации, чтобы уменьшить дрейф рабочей точки. Чтобы обеспечить максимальное смещение и термостабилизацию, методы компенсации и стабилизации могут использоваться вместе.

На следующем рисунке показан метод диодной компенсации, в котором используются как диодная компенсация, так и стабилизация самосмещения. Если и диод, и транзистор одного типа, то они имеют одинаковый температурный коэффициент в цепи. Здесь диод смещен в прямом направлении. KVL для данной схемы можно выразить как -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

Из приведенного выше уравнения ясно, что $ V_ {BE} $ следует за VO относительно температуры, и Ic не будет иметь никакого влияния на изменения в $ V_ {BE} $. Это эффективный способ позаботиться о рабочей точке транзистора из-за изменения $ V_ {BE} $.

Устройство компенсации температуры

Мы также можем использовать некоторые чувствительные к температуре устройства для компенсации изменений внутренних характеристик транзистора. Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что с повышением температуры его сопротивление экспоненциально уменьшается. На следующем рисунке показана схема, в которой используется термистор (R _T ) для уменьшения увеличения тока коллектора из-за изменения $ V_ {BE} $, ICO или β в зависимости от температуры.

Когда температура увеличивается, R _T уменьшается, а ток, подаваемый через R _T в R _E, увеличивается. Падение напряжения срабатывания на R _E имеет направление, противоположное обратному смещению транзистора. R _T действует так, чтобы компенсировать увеличение IC, которое увеличивается из-за повышения температуры.