Лекции по радиоэлектронике
методическая разработка по технологии (11 класс) по теме

Санкт-Петербургское Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Колледж электроники и приборостроения»

.

Лекция  №  2

по дисциплине  "РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ"

УЧЕБНЫЕ   И   ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ

1. Изучение назначения, классификации, основных параметров и системы условных обозначений конденсаторов.
2. Привитие навыков самостоятельного анализа явлений и процессов,  происходящих в элементах радиоэлектронной аппаратуры, формирование инженерного   мышления.

 МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

     Литература: 

1. Шалаевский А. А. Элементная база и материалы РЭС. Ч.1. Электрорадиоматериалы,           пассивные и активные элементы РЭС.- СПб: ФВУ ПВО,1990, с30-33, 42-44.
2. Электронные приборы, микроэлектроника и элементы электронной техники / Под ред. В. А. Прохоренко. – М: Воениздат, 1997, с. 12-15.

     Наглядные пособия:

1.  Слайды

     Технические средства обучения:

1. "Лектор-2000"

 УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ:

1. Назначение и классификация.

Конденсатором называется пассивный элемент РЭС, предназначенный для создания в электрической цепи требуемой величины электрической емкости.

Для выбора и применения конденсаторов в РЭА их достаточно квалифицировать по характеру изменения емкости, назначению и материалу диэлектрика (рис.1).

Рис.1

2. Основные параметры.

Основные параметры конденсаторов:

1. Номинальная емкость - регламентированная емкость данного типономинала конденсатора, указываемая на его корпусе. 

Конденсаторы выпускаются с номинальной емкостью от 1 пФ до тысяч микрофарад. Значения номинальной емкости стандартизованы в соответствии с ГОСТ 2519-67. Для конденсаторов общего применения также как и для резисторов используются ряды Е6, Е12, Е24.

2. Допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения (в %). Также стандартизованы и задаются в соответствии с рядом номинальных величин (Е6 - 20%, Е12 - 10%, Е24 - 5% и т.д.).

3.Температурный коэффициент емкости

4.Номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

5. Допустимая амплитуда переменного напряжения на конденсаторе Um.доп - амплитуда переменного напряжения, при котором потери энергии в конденсаторе не превышают допустимых.

 Um.доп = ,

где Рр.доп - допустимая реактивная мощность, ВА; Рр = CU2 = 2fCU2; где U - переменное напряжение на конденсаторе;  - круговая частота, С - емкость конденсатора; f - частота переменного напряжения на конденсаторе, Гц.

6. Мерцание емкости – скачкообразное изменение емкости, имеющее случайный характер. Оно обусловлено тем, что у ряда конденсаторов края обкладок состоят из отдельных островков. При приложении внешнего напряжения между ними и сплошной частью обкладки возникают микродуги, соединяющие их вместе и изменяющие величину емкости. Величина изменения емкости может достигать 10000 от номинала.

3. Система условных обозначений.

Различают полные и сокращенные обозначения конденсатора. Полное обозначение обычно используется в технической документации. Оно имеет вид, как показано на рис. 2.

Рис. 2

Сокращенное условное обозначение состоит из трех элементов: первый - буквы, характеризующие подкласс конденсаторов (К - постоянной емкости, КТ - подстроечные, КП - переменной емкости; КС - конденсаторные сборки); второй - цифры, характеризующей тип диэлектрика и название конденсатора, т.е. его группу; третий - порядковый номер разработки (см. таблицу 1).

                                                                                                                          Таблица 1

Система условных обозначений конденсаторов, действовавшая ранее

БМ - бумажные малогабаритные

БМТ - бумажные малогабаритные, термостойкие

КБГ - конденсаторы бумажные, герметизированные

МБГ - металлобумажные, герметизированные

МБМ - металлобумажные малогабаритные

ПМ - полистирольные, малогабаритные

ПО - пленочные открытые

КМ - керамические малогабаритные

КП - керамические, пластинчатые

КПС - керамические, пластинчатые, сегнетоэлектрические

КЛС - керамические, литые, сегнетоэлектрические

КЛГ - керамические, литые, герметизированные

КГК - конденсаторы герметизированные, керамические

КД - керамические, дисковые

КТ - керамические, трубчатые

КТП - керамические, трубчатые, проходные

КСО - конденсаторы слюдяные, опрессованные

КСГ - конденсаторы слюдяные, герметизированные

СГМ - слюдяные, герметизированные, малогабаритные

СКМ - стеклокерамические, многослойные

КС - конденсаторы стеклоэмалевые

КЭ - конденсаторы электролитические (алюминиевые)

ЭГЦ - электролитические (алюминиевые), герметизированные, в цилиндрических корпусах

ЭМ - электролитические (алюминиевые), малогабаритные

ЭМИ - электролитические (алюминиевые), миниатюрные

ЭТО - электролитические, танталовые, объемно-пористые

Для обозначения номинальной емкости, допустимого отклонения, группы по ТКЕ применяют кодированное обозначение. Номинальная емкость характеризуется цифрой и буквой, указывающей единицу измерения и представляющей собой множитель. Так буквы р,n,m,,F (п,н,мк,м,Ф) обозначают множители 10-12,10-9,10-6,10-3,1 соответственно для значений емкости конденсаторов, выраженных в фарадах. Например: 10пФ -10р; 1,5 мкФ - 15, 1Ф - 1F0.

За обозначением емкости следует буква, характеризующая допустимое отклонение (определяется также как и у резисторов). Например: 100nJ (100пф, 5%). Ряды номинальных емкостей и допустимых отклонений нормализованы. Шкала номинальных емкостей и соответствующий допуск аналогичны резисторам.

В обозначении ТКЕ буквы означают его знак (М - минус, П - плюс, МП - близко к нулю), а цифры указывают значение ТКЕ. Например: П100 (ТКЕ =+10010-6 К-1), М750 (ТКЕ = -75010-6 К-1). Для обозначения ТКЕ часто используют цветной код. Цвет покрытия корпуса указывает на знак ТКЕ, а цвет кодировочного знака - на его значение, например: синий и серый цвета корпуса - положительный ТКЕ, голубой - близкий к нулю, красный и зеленый - отрицательный ТКЕ, серый корпус с красным знаком - П60, красный с зеленым знаком - М330 и т.д.

Условные графические обозначения

а         б       в       г        д           е

а - общее обозначение конденсатора постоянной емкости

б - электролитический поляризованный

в - неполяризованный

г - общее обозначение конденсатора переменной емкости

д - подстроечный

е - вариконд

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ ПО ЛЕКЦИИ:

1. Конденсаторы относятся к пассивным радиокомпонентам РЭС.
2. Компоновка РЭС неотделима от вопросов подбора конденсаторов для конкретных электрических цепей.

Преподаватель                                 А. Цуканов

Санкт-Петербургское Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Колледж электроники и приборостроения»

Лекция  №  5

по дисциплине  "РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ"

 УЧЕБНЫЕ   И   ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ

1. Изучение назначения, классификации, основных параметров и системы условных обозначений индуктивных радиокомпонентов.
2. Привитие навыков самостоятельного анализа явлений и процессов,  происходящих в элементах радиоэлектронной аппаратуры, формирование инженерного   мышления.

 МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

     Литература: 

1. Шалаевский А. А. Элементная база и материалы РЭС. Ч.1. Электрорадиоматериалы,           пассивные и активные элементы РЭС - СПб: ФВУ ПВО,1990, с. 33–37.
2. Электронные приборы, микроэлектроника и элементы электронной техники / Под ред. В. А. Прохоренко.  М: Воениздат, 1997, с. 15–17.

     Наглядные пособия:

1. Слайды
2. Образцы индуктивных радиокомпонентов

     Технические средства обучения:

1. "Лектор-2000"

 УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ:

1. Назначение, классификация, основные параметры и система условных обозначений катушек индуктивности.

Катушкой индуктивности называется пассивный элемент РЭС, предназначенный для создания в электрической цепи сосредоточенной индуктивности.

Для выбора и применения катушек индуктивности в РЭА их достаточно классифицировать по назначению, области применения, конструктивным признакам и форме (рис.1).

Рис.1

Классификация катушек индуктивности может быть произведена и по другим признакам.

Физическая природа индуктивности.

Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока:

еL = -

При подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводнике индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно, и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивлению проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником переменному току. Это сопротивление ХL не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС равна

еL = -

Эта ЭДС частоте , а коэффициентом пропорциональности является индуктивность L. Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления

XL =L

Основные параметры катушек индуктивности:

1. Номинальная индуктивность катушки - значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений. 

Её значение (мкГн) определяется соотношением

L = L0W2D 10-3

Где W – число витков;

D – диаметр катушки, см;

L0 – коэффициент зависящий от отношения длинны катушки l к её диаметру D

Индуктивность короткого проводника [мкГн]  определяется его размерами:

L=2l  

где l -длинна провода; см, а d - диаметр провода, см.

Оптимальными в этом случае являются отношение = 0,6…1,0, а диаметр катушки в пределах от 1 до 2 см. При расчете диаметр катушки D принимают равным каркасу D0 .

Расчет индуктивности однослойных цилиндрических катушек по ее конструктивному исполнению производится по формуле:

Для однослойных катушек величина L0 определяется соотношением

L0 =

Если длинна намотки l   то индуктивность определяется соотношением

L =   или

а число витков исходя из конструктивных особенностей определяется по формуле

n =

Если длинна намотки l   то индуктивность определяется соотношением

L = ;        а число витков     n =

где геометрические размеры D, d, a, l, задаются в сантиметрах (см), а индуктивность L получается в наногенри (нГ).

Для многослойных катушек величина L0 определяется по графику, а внешний диаметр катушки принимают равным  D= D0+2t;

При расчете катушки индуктивности предварительно задают геометрические размеры катушки и определяют коэффициент L0, а затем по заданной величине индуктивности  L находят число витков

W =

Где L указывается в микро генри, а  D- в сантиметрах

2. Допустимое отклонение индуктивности катушки - разность между предельным и номинальным значениями индуктивности.

3. Добротность катушки - отклонение индуктивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению на данной частоте 

Q =

где f -частота, Гц; L-индуктивность в Г, R - величина активного сопротивления, Ом (при частоте f)

4. Температурный коэффициент индуктивности катушки 

ТКL =L =%/0С

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. В отличии от резисторов и конденсаторов, они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов, напряжений.

Условное графическое обозначение катушек индуктивности

а)               б)            в)                 г)         д)            е)                ё)

а - катушка индуктивности, дроссель без магнитопровода.

  б, в - катушка индуктивности, дроссель с отводами,

 г- катушка индуктивности, дроссель со скользящими контактами,

е - катушка индуктивности подстраиваемая с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

ё- катушка индуктивности подстраиваемая с немагнитным магнитопроводом,

2. Назначение, классификация, основные параметры и система условных обозначений трансформаторов и дросселей

Низкочастотные трансформаторы и дроссели представляют собой катушки индуктивности, намотанные на замкнутые магнитопроводы (трансформаторы – многообмоточные катушки, а дроссели – однообмоточные).                  

Трансформаторы классифицируют (см. рис.3):

1. По назначению (силовые, согласующие и импульсные);
2. По типу магнитопровода (броневые, стержневые, тороидальные и импульсные).

Рис.3.

.Основными параметрами трансформаторов являются:

1. Индуктивность первичной обмотки L1, определяющая коэффициент передачи в области НИ;
2. Индуктивность рассеивания LS, определяющая коэффициент передачи в области ВУ;
3. Собственная емкость обмоток С0, оказывающая влияние на частотные искажения в области ВУ;
4. Активное сопротивление обмоток r;
5. КПД;
6. Коэффициент трансформации n = W2/W1, где W1/ W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках.

Дроссели используют в фильтрах питания; избирательных цепях; стабилизаторах (дроссели насыщения); регуляторах (дроссели управления). Условное графическое обозначение дросселей идентично обозначению катушек индуктивности.

Силовые трансформаторы служат для изменения уровня переменных напряжений в блоках питания РЭА. Они собираются на броневых сердечника, собранных из штампованных Ш-бразных пластин или тороидальных ленточных магнитопроводов.

Согласующие трансформаторы  предназначены для согласования входных и выходных импедансов каскадов устройства между собой. Они подразделяются на входные, выходные и промежуточные.

Импульсные трансформаторы используются для передачи и формирования импульсных сигналов.

Условное графическое обозначение  дросселей и трансформаторов.

а)                б)          в)                г)               д)

е)                ж)                з)

а - дроссель с магнитным  магнитопроводом;

б - трансформатор без магнитопровода с постоянной связью;

в, з - трансформатор без магнитопровода с переменной связью;

г - трансформатор с магнитодиэлектрическим  магнитопроводом;

д - трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим  магнитопроводом;

е - трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки);

ж - трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный;

3. Назначение, классификация, основные параметры и система условных обозначений линий задержки.

Линией задержки называют пассивный радиокомпонент РЭС, который изменяет временное положение сигнала в сторону запаздывания относительно принятого начала отсчета.

Линией задержки называют пассивный радиокомпонент РЭС, который изменяет временное положение сигнала в сторону запаздывания относительно принятого начала отсчета.

Рис.4

В электрических линиях задержки используется явление конечной и постоянной скорости распространения ЭМВ  в однородной среде. Для них в режиме бегущей волны, когда линия нагружена на активное сопротивление RH, равное характеристическому

 =: tз ==l,

где l – длина однородной линии; LH, CH – погонные индуктивность и емкость линии. При этом, без искаженная передача формы сигнала достигается в случае идеальных ЧХ:

(w) =w, k(w) = kc-l, где  - коэффициент затухания в линии.

Обычно электрические линии задержки выполняют:

• на отрезках высокочастотных кабелей (конец наносекундного – начало микросекундного диапазона);
• на базе дросселей с ферритовыми стержнями (микросекундный диапазон);
• на соленоидах с конденсаторами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ ПО ЛЕКЦИИ:

1. К пассивным ЭРЭ РЭС относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
2. Компоновка РЭС неотделима от вопросов реализации элементов электронных связей, осуществляющих процессы соединения, разъединения и переключения электрических цепей.

 Преподаватель         А. Цуканов

Санкт-Петербургское Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Колледж электроники и приборостроения»

Лекция  № 11

по дисциплине   “ РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ “

УЧЕБНЫЕ   И   ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ

1. Изучить физические процессы в биполярных транзисторах, назначения, классификацию, основные параметры и системы условных обозначений.
2. Привитие навыков самостоятельного анализа явлений и процессов,  происходящих в элементах радиоэлектронной аппаратуры, формирование инженерного   мышления.

 МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

     Литература:

1. Электронные приборы. Под ред. А. Л. Булычева. М.: Воениздат, 1982г., с. 229–261.
2. Электронные приборы, микроэлектроника и элементы электронной техники /Под ред. В. А. Прохоренко. М: Воениздат, 1997, с. 131-146.

     Наглядные пособия:

1. Слайды
2. Образцы биполярных транзисторов.

     Технические средства обучения:

1. "Лектор-2000"

 УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ:

    1. Вводная часть (введение)                                                                          5 мин.

    3. Заключительная часть  (заключение)                                                         5 мин.

Введение

Транзисторами называются полупроводниковые приборы с одним и более p-n переходами, пригодные для усиления мощности и имеющие не менее трех выводов. В узком смысле под транзисторами  понимают только полупроводниковые триоды, имеющие два p-n перехода. Сам термин "транзистор" образован от английских слов "transfer" и "resistor" , что означает "преобразователь сопротивления".

Первая практически работоспособная конструкция транзистора была создана в 1948 году американскими учеными Бардиным и Браттейном. В нашей стране первые образцы транзисторов были изготовлены в 1949 году А. В. Красиловым и С. Г. Мадоян. В этом же году была разработана теория биполярных транзисторов, основанная на теории p-n переходов.

За истекшие годы промышленностью освоено производство многих сотен типов биполярных транзисторов, что и определяет их широкое использование в радиоэлектронной аппаратуре.

1. Устройство, принцип действия и система условных обозначений

            Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий не менее трех выводов.

     Для выбора и применения транзисторов в РЭА их принято классифицировать следующим образом (рис.1).

Рис.1

     По конструктивным особенностям и технологии изготовления транзисторы делят на

• эпитаксиально - планарные,
• планарные,
•  диффузионные,
• сплавно-диффузионные,
• сплавные и др.

На рис. 2 приведены структуры некоторых типов транзисторов.

                      а                                          б                                                                 в                                    

Рис.2.Структуры транзисторов:

а - сплавного; б - эпитаксиально - диффузионного;  в - планарного

     Принятые в нашей стране условные обозначения транзисторов содержат сведения об их назначении, физических и конструктивно-технологических свойствах, основных электрических параметрах, применяемом исходном материале.  В настоящее время используются две системы условных обозначений транзисторов:

1. Для транзисторов, разработанных до 1964 года (содержит 3 элемента).

1-й элемент: буква  П  или  МП, характеризующая принадлежность к транзисторам (П - “ горячая “ сварка половин корпуса, МП - “ холодная “);
2-й элемент: число, указывающее область применения транзисторов (табл.1);
3-й элемент: буква, указывающая на разновидность данного прибора в серии по электрическим   параметрам.

2. Для, транзисторов, разработанных в период 1964-73 гг. (ГОСТ 10862-64г.), 1972-81гг.    

( ГОСТ 10862-72г.), 1981-по настоящее время (ОСТ 11 336.919-81г.).

1-й элемент : буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал:
1 или Г-германий, 2 или К - кремний, 3 или А - соединения галлия (арсенид галлия), 4 или И - соединения индия.
2-й элемент :   буква Т , характеризующая  принадлежность к БТ.
3-й элемент :  цифра , указывающая  назначение и электрические свойства БТ ( табл. 2).

4-й элемент: двузначное число в диапазоне 01...99 или трехзначное число в диапазоне 101...999, характеризующее порядковый номер разработки БТ в данной серии .
5-й элемент: буква, указывающая на разновидность транзистора данной серии по электрическим параметрам.

Пример:

 Условные графические обозначения биполярных транзисторов применяются в соответствии с ГОСТом 2.730-73.

    Принцип действия

Принцип действия БТ основан на физических явлениях и процессах, протекающих во взаимодействующей структуре двух связанных р п - переходов с различными характеристиками и параметрами.

Рассмотрим особенности структуры п - р - п БТ (рис.3).

Основу п-р-п. БТ составляет базовая пластина полупроводника р-типа, в которой с обеих сторон формируются два р-п-перехода:
- эмиттерный (левый) с меньшей площадью и большей концентрацией основных носителей в п-области,  
- коллекторный (правый) с большей площадью и примерно одинаковой концентрацией основных носителей в р - и п-областях.
Соответствующие выводы называются эмиттером, базой и коллектором, а переходы эмиттер - база (ЭБ) и база - коллектор (БК) -  соответственно  эмиттерным и коллекторным.

Следует отметить, что с электрической точки зрения БТ эквивалентен встречно-последовательному включению двух диодов (рис. 4). Однако получить таким образом работоспособный БТ не удастся, так как основным условием нормального функционирования БТ является наличие тонкой базы, толщина которой должна быть меньше так называемой диффузионной длины носителей заряда, под которой понимается расстояние, в пределах которого концентрация носителей заряда снижается в  е  раз (рис. 5).

Таким образом, БТ есть взаимодействующая структура двух связанных р-п-переходов с различной площадью и концентрацией носителей, сформированная с обеих сторон относительно тонкой основной (базовой) области.

Физические явления и процессы, положенные в основу работы БТ:

1. Инжекция носителей зарядов - впрыскивание, введение основных носителей заряда через границу р-п-перехода при его прямом включении;

1.  Экстракция носителей заряда - отсасывание, выведение не основных носителей заряда через границу р-п-перехода при его обратном включении;

1.  Рекомбинация носителей заряда - взаимодействие (воссоединение) носителей заряда противоположных знаков.

Рассмотрим принцип действия БТ на примере схемы включения с общей базой (ОБ).

Для обеспечения нормального режима работы БТ эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный в обратном направлении. Соотношение величин падений напряжений  на переходах описывается следующими выражениями:

Uэб > Uк = 0,6 ... 0,7 В (Si),

Uкб - (ед. - десятки Вольт),                                    (1)

| Uкб | > | Uэб |

Забегая вперед, следует отметить, что усилительные свойства БТ заключаются в возможности управления величиной выходного тока (тока коллектора в данной схеме включения) с помощью входного тока (тока эмиттера), причем мощность в цепи управления оказывается значительно меньше мощности в выходной цепи.

Исходные предпосылки анализа:

1. При разомкнутом выводе эмиттера и Uкб > 0
   
                                                       Iк = Iкбо , Iб = - Iкбо

где   Iкбо - обратный ток коллекторно-базового перехода, образуемый не основными носителями заряда при его обратном включении.

1. При  Uэб = 0  и  Uкб >0   , что эквивалентно замыканию эмиттера и базы, в цепи эмиттера течет небольшой ток.  Он вызван тем, что обратный ток коллектора, протекая по распределенному сопротивлению базы, создает на нем падение напряжения, приложенное плюсом к  р, а минусом к п-области. Это соответствует прямому включению эмиттерного перехода при   Uпр < Uк.

3.  При   |Uэб| >0  эмиттерный переход включается в прямом направлении и открывается.
Происходит инжекция электронов в базу и дырок в эмиттер. Поскольку концентрация основных носителей в эмиттере значительно больше, чем в базе, можно считать, что ток инжекции определяется только электронами.

Соотношение токов инжекции электронов и дырок описывается так называемым коэффициентом инжекции  γ:

  =  

Инжектированные в базу электроны, являясь в ней не основными носителями, экстрагируются (выводятся) полем источника коллекторного напряжения через границу коллекторного перехода, создавая управляемую составляющую коллекторного тока.
Ввиду того, что электроны в базе частично рекомбинируют (воссоединяются) с дырками, результирующий ток электронов оказывается меньше исходного. Соотношение токов инжекции электронов до и после базы описывается так называемым коэффициентом   переноса  ζ:

ζ =     1     (3)

Произведение коэффициентов инжекции γ и переноса  ζ называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера α:

α= γζ =  1                (4)

Таким образом, результирующее соотношение токов в БТ при таком включении описывается следующими уравнениями:

Iк = Iэ  + Iкбо = Iк упр + Iк неупр.

Iб = (1- )  Iэ  - Iкбо                                         (5)

Iэ = Iк + Iб

Очевидно, что качество БТ тем выше, чем больше значение . Поскольку    определяется соотношением (4),  для его увеличения необходимо увеличивать как коэффициент инжекции, так и коэффициент переноса. Увеличение коэффициента инжекции обеспечивается повышением концентрации основных носителей в эмиттере, а увеличение коэффициента переноса - уменьшением толщины базы и увеличением площади коллекторного перехода.

Поскольку статический коэффициент передачи тока эмиттера    меньше единицы, БТ при таком включении ток не усиливает (практически передает без изменений). Зато мощность во входной цепи, равная:

Рвх = Uэб  Iэ  ,                (6)

оказывается меньше мощности в выходной цепи:

Рвых = Uкб Iк  Uкб ( Iэ  + Iкбо)                (7)

Поскольку  |Uкб| > |Uэб|, то и  Рвых > Рвх, т.е. БТ является усилителем мощности. Конкретно в данной схеме включения с общей базой БТ усиливает только входное напряжение.

2. Схемы включения.

 Название той или иной схемы включения БТ определяется электродом, являющимся общим для входной и выходной цепей. Поскольку электродов у БТ три (эмиттер, база, коллектор), то существуют три схемы включения  (рис. 7):

      с общей базой (ОБ),  с общим эмиттером (ОЭ),  с общим коллектором (ОК).

В зависимости от состояние р-п-переходов (открыт или закрыт) БТ может работать в одном из четырех режимов (табл. 3).

                                                                           Таблица 3. Режимы работы БТ

При использовании БТ в качестве усилителя основным режимом является нормальный активный.

Понятия  “ закрыт “ - “ открыт “ применительно к р-п-переходам БТ не эквивалентны понятиям “ обратное” - “ прямое “ включение, так как даже при прямом включении при напряжении на переходе меньше контактной разности потенциалов он оказывается закрытым. Поэтому при оценке режима работы БТ всегда следует учитывать соотношение падений напряжений на переходах с учетом величины контактной разности потенциалов (рис. 7).

Соотношение токов БТ в нормальном активном режиме для различных схем  включения.

Как было показано выше, для схемы ОБ соотношение токов описывается выражением:

Iк =   Iэ  + Iкбо ,

Iб = (1-)  Iэ  - Iкбо,                (8)

Iэ  = Iк + Iб

Для схемы  ОЭ ввиду того, что входным током является ток базы, целесообразно преобразовать выражение (8) так, чтобы получить зависимости токов БТ от тока базы:

Iк =                 (9)

Обозначив  / (1-) =   и считая его статическим коэффициентом передачи тока базы (величина порядка нескольких десятков - сотен), имеем:

Iк =  Iб + (1+) Iкбо,

Iэ = (1+)(Iб + Iкбо) ,                (10)

Iб =  Iэ  - Iк

Поступив аналогично для схемы ОК, имеем:

Iэ  = к (Iб + Iкбо),

Iк = (к-1) Iб + к Iкбо,                        (11)

Iб =  Iэ  - Iк

где   к =  +1 = 1 / (1-) - статический коэффициент передачи тока базы в схеме ОК.

Следует отметить особенность описанных выше схем включения БТ, связанную с величинами реализуемых коэффициентов усиления напряжения  Кu , тока  Кi  и мощности  Кp (табл. 4).Это следует учитывать при проектировании схем на основе БТ.

                               Таблица 4. Усилительные свойства БТ для различных схем включения

3. Статические характеристики.

Статическими характеристиками (СХ) называются условное графическое изображение функциональных зависимостей, описывающие взаимосвязь между постоянными входными и выходными токами и напряжениями БТ в статическом режиме.

Статическим режимом называется режим, при котором все параметры, его определяющие (задающие) постоянны. Другими словами, в статическом режиме положение рабочей точки БТ на семействах его характеристик неизменно во времени.

В тех случаях, когда базовая цепь питается от источника с низким внутренним сопротивлением и исходя из удобства и простоты измерений, в качестве независимых переменных принимают                                                Iвх,  Iвых  = f (Uвх, Uвых)

В этом случае возможны так называемые гибридные и характеристики,

        Характеристики зависят от схемы включения транзистора. На практике обычно используют СХ для схем включения с ОБ или ОЭ. (Приведен  пример СХ  БТ n-р-n структуры).

Входные и выходные характеристики используются для расчета режима работы устройств на основе БТ по постоянному току при малом входном сигнале и для оценки нелинейных искажений при большом входном сигнале.

ВЫВОДЫ ПО ЛЕКЦИИ:

• Биполярные транзисторы - важнейшая группа активных электро преобразовательных приборов, обладающих свойством усиления мощности. Их классификация по функциональным  признакам нашла свое отражение в системе условных обозначений.
• Для предотвращения преждевременного выхода транзисторов из строя необходимо учитывать предельно допустимые электрические данные и тесно связанные с ними тепловые параметры. При выборе конкретного типа транзистора для использования в схеме необходимо детальное изучение их справочных данных и рекомендаций  по применению.
• Транзисторы исключительно широко применяются в различных отраслях электронной техники. Наиболее часто они применяются в усилительных, генераторных, переключательных схемах, в устройствах электропитания.

Преподаватель                                 А. Цуканов

Санкт-Петербургское Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Колледж электроники и приборостроения»

Лекция  № 13

по дисциплине   “ РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ “

УЧЕБНЫЕ   И   ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ

1. Изучить физические процессы в тиристорах, назначение, классификацию, основные параметры и системы условных обозначений.
2. Привитие навыков самостоятельного анализа явлений и процессов,  происходящих в элементах радиоэлектронной аппаратуры, формирование инженерного   мышления.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

     Литература:

1. Электронные приборы. Под ред. А. Л. Булычева. М.: Воениздат, 1982г., с. 337–343.
2. Электронные приборы, микроэлектроника и элементы электронной техники /Под ред.

 В. А. Прохоренко. М: Воениздат, 1997, с. 158-163.

     Наглядные пособия:

1. Слайды
2. Образцы тиристоров.

     Технические средства обучения:

1. "Лектор-2000"

 УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ:

    1. Вводная часть (введение)                                                                               5 мин.

    3. Заключительная часть  (заключение)                                                           5 мин.

ВВЕДЕНИЕ  

Наряду с приборами, дающими возможность осуществлять линейное усиление сигналов, широкое применение находят приборы с падающим участком ВАХ. Эти приборы чаще всего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое - характеризующееся высоким сопротивлением и отпертое - характеризующееся минимальным сопротивлением.

До конца 50-х годов в схемах электронной автоматики в качестве ключей, в основном, использовали газоразрядный прибор - тиратрон.

В начале 60-х годов появились первые четырехслойные полупроводниковые структуры, характеристики которых оказались схожими с характеристиками тиратронов, а их параметры значительно превосходили параметры тиратронов. Приборы такого типа получили название тиристоров.

К настоящему времени тиристоры значительно потеснили тиратроны, став основными элементами схем переключения (коммутации) РЭТ.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя или более р-п переходами, на вольт - амперной характеристике  которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний - закрытом или открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора высокое и он пропускает маленький ток. В открытом состоянии сопротивление тиристора небольшое и через него протекает большой ток. Существует несколько разновидностей тиристора.

Как правило, их  используются в качестве электронных ключей в схемах переключения токов РЭТ.

Для выбора и применения тиристоров в РЭА их достаточно классифицировать по количеству выводов, способу управления и мощности. Классификация тиристоров приведена на рис 1.

Рис.1.

В диодных тиристорах различают: тиристоры, запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.

Триодные тиристоры подразделяются: на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные), выключаемые.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис.2.

Условные обозначения тиристоров.

  а)                        б)                  в)                г)                д)                е)                        ж)

Рис.2

а) динистор;

б) тиристор диодный симметричный;

в) тиристор, запираемый в обратном направлении с управлением по катоду;

г) тиристор, запираемый в обратном направлении с управлением по аноду;

д) тиристор, запираемый в обратном направлении, выключаемый с управлением по катоду;

е) тиристор, запираемый в обратном направлении, выключаемый с управлением по аноду;

ж) тиристор триодный симметричный (двунаправленный);

Тиристоры, проводящие в обратном направлении получают из запираемых путем создания в едином кристалле дополнительного р-п перехода, подключаемого параллельно структуре тиристора в обратном направлении.

Специфической особенностью триодных и тетродного тиристоров является наличие дополнительного управляющего (УЭ) или управляющих электродов (УЭ1 и УЭ2), подключаемых к одной или к обоим базам. В зависимости от этого подключения различают тиристоры управляемые по аноду (рис.2 г, е, ж), катоду (рис.2 а, з, к) и обоим электродам (рис. 1 е).

К настоящему времени сложилось две системы обозначения тиристоров, учитывающих специфику их использования. Одна система распространяется на силовые тиристоры со средним током более 10А, а другая – на импульсные тиристоры, средний ток которых не превышает 20А.

Для импульсных тиристоров и тиристоров, предназначенных для систем автоматики, условные обозначения регламентируются ГОСТ 10862-72.

В соответствии с ним тиристоры обозначаются четырьмя элементами, например: ,

где I-эл. – буква, или цифра, указывающая на исходный полупроводниковый материал; II-эл. буква Н для диодных или У для триодных тиристоров; III-эл. – указывает назначение, качественные свойства и порядковый номер разработки прибора; IY-эл. буква, указывающая разновидность прибора по основным параметрам.

Условные обозначения силовых тиристоров установлены ГОСТ 20859-79. Согласно ГОСТ силовые тиристоры обозначаются шестью элементами, например:

,

где I-эл. –вид прибора (Т – тиристор, не проводящий в ОН, ТЛ – лавинный тиристор, ТС – симистор); II-эл. - подвид тиристора (Ч - быстро выключаемый С t выкл.< 63 мкс, Б – быстродействующий С t выкл.< 63 мкс и  t вкл.< 4 мкс, И – импульсный С t вкл.< 4 мкс); III-эл. –порядковый номер модификации, условный размер корпуса и конструктивное исполнение; IY-эл. – максимально допустимый средний (импульсный) ток; Y эл. – условное значение повторяющегося импульсного напряжения; YI – эл. условное значение критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии. Таким образом, ТЛ171-320-10-6 тиристор лавинный, первой модификации, размер шестигранника под ключ 41 мм (7), конструктивное исполнение – штыревое с гибкими выводами (1), средний ток в открытом состоянии 320А, повторяющееся напряжение 1000В (10), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс (6).

2. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ВОЛЬТАМПЕРНАЯ    ХАРАКТЕРИСТИКА, ПАРАМЕТРЫ ДИНИСТОРА.

Двухэлектродный тиристоры (динистор) - это тиристор, который имеет два внешних вывода.

 Являясь разновидностью кремниевого полупроводникового диода, динистор, или диодные тиристоры, состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности p- и n- типа.

Такую структуру обозначают p-n-p-n. Она определяет наличие участка отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ динистора, что дает возможность использования его в качестве коммутирующего элемента.

 а)                                      б)                                                         в)

Рис.3

Крайнюю область полупроводника с электропроводностью n-типа называют катодом, а с электропроводностью  р-типа - анодом. Переходы 1 и 3 называют эмиттерными, а 2- коллекторным. В соответствии с этим крайние области иногда называют эмиттерами. Средние области  называют базами (n-или р-типа).

Величина и направление тока через динистор зависят от полярности и величины напряжения, приложенного между выводами анода и катода.

1. Если на динистор подается обратное напряжение UОБР (рис.3,а), т.е. потенциал анода ниже потенциала катода, то закрыты переходы 1 и 3 структуры, а средний переход 2 находится в закрытом состоянии. Проходящий при этом через динистор небольшой ток называют обратным током IОБР (участок I ВАХ). Однако, если обратное напряжение  превысит некоторое характерное для динистора данного типа значение, обратный ток резко возрастает - происходит пробой динистора. “Пробой” не означает, что динистор обязательно приходит в негодность. Если последовательно с динистором включена нагрузка, то она ограничивает обратный ток (ток пробоя) и при отключении питающего напряжения работоспособность динистора восстанавливается.

При изменении полярности источника внешнего напряжения (плюс на аноде, минус на катоде) переходы  1 и 3 сместятся в прямом направлении и через них начнется инжекция в средние n- и p- области. Средний переход при такой полярности внешнего напряжения закрыт (включен в обратном направлении).

2. Если потенциал анода выше потенциала катода и прямое напряжение невелико, то закрыт средний переход и открыты оба крайних перехода структуры (участок II). При этом через динистор протекает небольшой ток,  значение которого определяется в основном свойствами p-n-перехода. Его называют током в закрытом состоянии и обозначают IЗС. При этом все внешнее напряжение падает на закрытом коллекторном переходе, имеющем значительное сопротивление.

3. По мере увеличения прямого напряжения ускоряется размножение электронов, за счет увеличения напряжения на эмиттерных переходах 1 и 3 и увеличивается инжекция неосновных носителей в p- и n-базу. Электроны и дырки, не рекомбинировавшие с носителями противоположного знака в этих областях, скапливаются  в зоне среднего перехода. Процесс накопления зарядов в базах n- и р-типа  приводит к снижению потенциального барьера коллекторного перехода 2, его сопротивление уменьшается, происходит некоторое увеличение тока проходящего через динистор (участок II ВАХ).

4. Когда прямое напряжение  увеличиваясь  достигает некоторого значения, называемого напряжением включения (UВКЛ), размножение носителей в зоне коллекторного перехода становится интенсивным, потенциальный барьер почти полностью исчезает, переход оказывается в режиме насыщения, его сопротивление резко уменьшается и ток через   динистор лавиннообразно возрастает. Напряжение между анодом и катодом уменьшается. Такое состояние динистора называют открытым. Обычно UВКЛ  1,5 В. Остальная часть напряжения питания падает на нагрузке. В точке ВАХ соответствующей напряжению UВКЛ , дифференциальное сопротивление динистора равно нулю. Оно становится отрицательным при переходе динистора из закрытого в открытое состояние (участок III ВАХ). На этом участке ВАХ увеличение тока сопровождается уменьшением напряжения.

5. Динистор может находиться в открытом состоянии неограниченно долго, если потенциал анода выше потенциала катода, а ток через динистор не уменьшится до значения тока удержания IУД.

Возвратить динистор в закрытое состояние можно, отключив источник питания или подав  на динистор  отрицательное напряжение.

Основные параметры динистора:

1. Напряжение включения UВКЛ  - напряжение, при котором  ток через прибор начинает резко нарастать.

2. Ток включения IВКЛ - ток, протекающий через прибор, при приложенном к нему напряжении включения.

3. Ток удержания IУД - наименьший ток, протекающий через прибор, при котором он остается во включенном состоянии.

4. Максимально допустимое прямое напряжение UПР. MAX -  максимальное значение прямого напряжения, которое можно длительно прикладывать к прибору.

5. Максимально допустимое значение обратного напряжения, которое можно длительно прикладывать к прибору Uобр.max.

6. Максимально-допустимый ток в открытом состоянии IОТКР.MAX. 

7. Напряжение в открытом состоянии UОТКР    снятое при  IОТКР.MAX  .

8. Прямое постоянное напряжение в закрытом состоянии UПР - максимальное значение прямого напряжения, при котором вне зависимости от времени нахождения в нем динистора, не происходит его включение.

9. Ток в закрытом состоянии IЗС - ток при прямом постоянном напряжении.

3. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ВАХ, ПАРАМЕТРЫ ТРИНИСТОРА

Трехэлктродный тиристор (тринистор)  - это тиристор, который имеет три внешних вывода, один из которых управляющий электрод от базовой области.

Управляющий электрод (УЭ) может быть подведен к любой из баз тринистора. Внешне это выразится лишь в выборе нужной полярности источника напряжения управляющего электрода (рис.4).

а)                                                             б)

Рис.4.  Тринисторы:

а - управляемый по катоду;  б - управляемый по аноду;

Если на тринистор подано напряжение, плюс которого на аноде, а минус на катоде, то такое напряжение для тринистора является прямым. При изменении полярности (минус на аноде, плюс на катоде) оно будет называться обратным.

Чтобы познакомиться с работой тринистора, рассмотрим его вольтамперную характеристику (рис.5) и схему (рис.4,б).

1. Из рис.4 и 5 видно, что увеличение управляющего тока базы IБ  приводит, прежде всего, к уменьшению напряжения включения UВКЛ2 < UВКЛ1.

В результате отдельные кривые с ростом IБ как бы  “вписываются” друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательного участка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).  Это связано с тем, что увеличение тока базы сопровождается ростом коэффициента передачи тока  соответствующего эмиттера. Увеличение коэффициента  приводит к тому, что равенство h21Б1 + h21Б3 = 1 выполняется при меньшем значении анодного напряжения и напряжение включения UВКЛ тринистора уменьшается.

В частном случае, при токе базы IБ = 0 получается характеристика динистора. Участок 0-1 характеристики соответствует закрытому состоянию тринистора при прямом напряжении. Сопротивление между анодом и катодом тринистора в этом случае составляет сотни килоом и через тринистор протекает лишь незначительный ток IЗС, который определяют, как правило, при напряжении UПР - максимально допустимом прямом напряжении при закрытом тринисторе.

Если дальше увеличивать прямое напряжение, то при некоторой его величине, соответствующей UВКЛ, тринистор откроется и сопротивление между анодом и катодом резко уменьшится до десятых долей Ома.

2. Благодаря управляющему электроду тринистор можно открывать при напряжении меньше UВКЛ.  Для этого необходимо иметь управляющий ток IУПР.

Напряжение на управляющем электроде, при котором протекает IУПР называется управляющим напряжением UУПР. Если за время прохождения управляющего тока основной ток тринистора (в цепи анод-катод) превысит вполне определенное значение, называемое током удержания IУД, то  тринистор останется в открытом состоянии и по окончании действия тока управляющего электрода. Падение напряжения на открытом тринисторе UОТКР не превышает 1-2 В (участок 2-3 характеристики). и мало зависит от величины основного тока. В справочниках приводится обычно величина напряжения UОТКР  при максимально допустимом постоянном токе IОТКР.MAX .

Тринистор является прибором однонаправленного действия, т.е. им можно управлять только при прямом напряжении между анодом и  катодом. При обратном напряжении  тринистор ведет себя как обычный диод (участок 0-4 характеристики). Характерным параметром в этом режиме является обратный ток IОБР, измеряемый при максимально допустимом постоянном  обратном напряжении. При обратном напряжении на тринисторе подавать открывающее напряжение на его управляющий переход нельзя, иначе возрастает обратный ток IОБР и увеличивается выделяемая на тринисторе мощность.

Чтобы перевести открытый тринистор в закрытое состояние, нужно основной ток уменьшить до величины меньше IУД. В цепях переменного тока тринистор закрывается автоматически в момент окончания положительной полуволны. Этим объясняется широкое применение тринисторов в устройствах переменного тока.

Параметры тринистора:

1. Напряжение включения UВКЛ - напряжение, при котором ток через прибор начинает резко нарастать.

2. Ток включения IВКЛ  - ток, протекающий через прибор при приложенном к нему напряжении включения.

3. Максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии IОТКР.MAX.

4. Постоянное напряжение в открытом состоянии UОТКР. определяемое при токе IОТКР.MAX .

5. Ток удержания IУД - наименьший ток анода, необходимый для поддержания прибора в открытом состоянии.

6. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение UОБР.MAX.

7. Максимально допустимая средняя мощность рассеивания PСР.MAX.

8. Время включения tВКЛ - время в течении которого тринистор переходит из закрытого в открытое состояние.

9. tВЫКЛ - время, в течении которого тринистор переходит из включенного состояния в выключенное.

10. Динамическое сопротивление в открытом состоянии - ZДИН.

11. Постоянный отпирающий ток управляемого электрода IУПР. ОТП.

ВЫВОДЫ ПО ЛЕКЦИИ:

• Тиристоры - важнейшая группа активных переключающих приборов, которые имеют два состояния: запертое - характеризующееся высоким сопротивлением и отпертое - характеризующееся минимальным сопротивлением. Их классификация по функциональным  признакам нашла свое отражение в системе условных обозначений.
• Для предотвращения преждевременного выхода тиристоров из строя необходимо учитывать предельно допустимые электрические параметры и тесно связанные с ними тепловые параметры. При выборе конкретного типа тиристора для использования в схеме необходимо детальное изучение их справочных данных и рекомендаций  по применению.
• Тиристоры исключительно широко применяются в различных отраслях электронной техники. Наиболее часто они применяются в усилительных, генераторных, переключательных схемах, в устройствах электропитания.

Преподаватель                                                  А. Цуканов

Санкт-Петербургское Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Колледж электроники и приборостроения»

Лекция  № 14
по дисциплине   “ РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ  “

 УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

          1. Классификация, система условных обозначений, схемы включения.                                          

          2. Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры

              полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом                                    

          3 Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры

              полевых транзисторов с изолированным затвором                                          

1. Классификация, система условных обозначений, схемы включения.

Полевым транзистором  (ПТ) называется полупроводниковый прибор с тремя и более выводами, усилительные свойства которого обусловлены процессами токопрохождения основных носителей заряда в полупроводниках под воздействием управляющего электрического поля.

Поскольку работа ПТ основана на движении только основных носителей заряда (электронов или дырок), их также называют униполярными транзисторами (в отличие от биполярных транзисторов).

Основными типами ПТ являются транзисторы с управляющим р-п-переходом (ПТ с УП) и с изолированным затвором (ПТ с ИЗ), носящие также благодаря своей структуре название МОП или МДП транзисторов.

Каждый из основных типов ПТ подразделяется на виды (рис. 1) в зависимости от особенностей и типа проводимости канала.

2. Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом

2.1. Устройство и принцип действия

Принцип действия ПТ с УП основан на управлении токопрохождением основных носителей заряда внутри канала путем изменения его сечения с помощью двух обратно смещенных р-п-переходов (рис. 2).

ПТ с УП и каналом  n-типа состоит из пластины полупроводника n-типа, в которой с обоих сторон сформированы два управляющих р-п-перехода, причем выводы от р-областей соединены вместе, образуя вывод затвора.

При подключении внешнего источника Uси, как показано на рис. 2, основные носители заряда (электроны) начинают двигаться от вывода, называемого истоком, к выводу, называемому стоком, образуя ток стока Iс. При отсутствии внешнего источника Uзи или при Uзи = 0 ширина канала максимальна, следовательно, максимален и ток Iс, называемый в этом случае начальным током стока IС НАЧ.:

IС НАЧ = IС  при Uзи = 0                                                                             (1)

При подаче на затвор обратного напряжения, (минусом к затвору), ширина канала уменьшается, так как у обоих р-п-переходов увеличивается ширина запирающего слоя, обедненного свободными носителями заряда. При этом сопротивление канала увеличивается, а ток стока уменьшается. Таким образом, изменяя напряжение между затвором и истоком Uзи, можно управлять величиной тока стока Iс.

Поскольку величина тока затвора, равная сумме обратных токов управляющих переходов, значительно меньше тока стока, а напряжения Uзи и Uси соизмеримы, то мощность в выходной цепи Рвых оказывается больше мощности во входной цепи Рвх:

Рвых = Uси Iс  >>  Рвх = Uзи Iз                                                    (2)

Таким образом, ПТ с УП является усилителем мощности.

2.2. Статические характеристики

Статическими характеристиками (СХ) называются функциональные зависимости, описывающие взаимосвязь токов и напряжений ПТ в статическом режиме.

В отличие от биполярных транзисторов (БТ), основными характеристиками ПТ с УП являются входные, выходные и характеристики прямой передачи, иначе называемые затворными, стоковыми и сток затворными характеристиками соответственно. Они представляются следующими функциональными зависимостями:

Iз = f (Uзи) при Uси = const (входная или затворная СХ)

Ic = f (Ucи) при Uзи = const (выходная или стоковая СХ)                                           (3)

Ic = f (Uзи) при Uси = const ( прямой передачи или сток затворная СХ )

Общий вид статических характеристик ПТ с УП приведен на рис. 3.

Вид характеристик объясняется следующим образом.

2.2.1 Входная (затворная) характеристика

Поскольку входом  у ПТ с УП являются два включенных параллельно р-п-перехода, то и входной характеристикой является обычная ВАХ р-п-перехода со всеми ее особенностями, рассмотренными ранее.

2.2.2 Характеристика прямой передачи (сток затворная) и выходная (стоковая) характеристики

Особенности зависимости тока стока Iс от напряжений Uси, Uзи рассматривались выше. Следует отметить, что с ростом по абсолютной величине Uзи ширина канала, а, следовательно, и ток стока Iс уменьшаются. Причем, при Uзи = Uзи отс происходит смыкание запирающих слоев обоих управляющих р-п-переходов, и перекрытие канала, приводящие к прекращению тока стока:

Uзи отс = Uзи  при Iс = 0                (4)

Теоретически  зависимость токов и напряжений в ПТ описывается двумя выражениями в зависимости от соотношения величин напряжений Uси, Uзи и Uзи отс:

Iс = 2Iс нач Uси (Uзи - Uзи отс - 0,5Uси) / (Uзи отс)2  при  | Uси |  |Uзи отс - Uзи |           (5)

Iс = Iс нач (Uзи - Uзи отс)2 / (Uзи отс)2                           при  | Uси | |Uзи отс - Uзи |           (6)

При  | Uси |  |Uзи отс - Uзи | наблюдается увеличение тока стока по линейному закону в зависимости от Uзи и близкое к линейному закону увеличение тока стока в зависимости от      Uси 1/2 . Нелинейный характер зависимости Iс от Uси объясняется тем, что при протекании тока стока по каналу  на его распределенном сопротивлении образуется падение напряжения, изменяющееся от 0 до Uси по мере движения от истока к стоку. Соответственно изменяется и величина обратного напряжения на управляющих переходах при движении от нижнего к верхнему краю р-областей от

UзиН Uзи   до  UзиВ Uзи + Uси .                                            (7)

Таким образом, и ширина запирающего слоя по мере движения от истока к стоку увеличивается. Это приводит к постепенному сужению канала по мере движения от истока к стоку и, как следствие, к уменьшению скорости роста тока стока (крутизны стоковой характеристики). При Uси = Uзи отс - Uзи  вблизи стока происходит практически полное смыкание канала, что приводит к исчезновению зависимости Iс от Uси.

Выводы:  1. Сток затворные характеристики ПТ с УП начинаются  в точке Uзи = Uзи отс,    где происходит полное смыкание канала по всей его длине.
                  2. Стоковые характеристики имеют две ярко выраженные области: область быстрого роста Iс в зависимости от Uси (крутая область) и область, где отсутствует зависимость Iс от Uси (пологая область). Граница раздела областей определяется условием:

|

Uси |  |Uзи отс - Uзи |                                                                                (8)

        3. Из-за специфики стоковых характеристик ПТ он может использоваться двояко: в  крутой области СХ в качестве управляемого напряжением Uзи сопротивления, а в пологой области в качестве усилительного и переключательного элемента или стабилизатора тока (т.к. при Uзи = const  Iс = const и не зависит от Uси).

2.3 Статические параметры

Для анализа устройств на основе ПТ аналитическим методом его представляют в виде линейного активного четырехполюсника или замещают различными эквивалентными схемами, приближенно отражающими его реальные свойства.

В случае представления ПТ линейным четырехполюсником его параметры описывают связь напряжений и токов во входной и выходной цепях.

Эта связь может быть выражена несколькими вариантами (системами) функциональных зависимостей, среди которых наибольшее практическое применение находят  системы типа Х, Y, Z, H. Применительно к ПТ, как и к другим приборам, управляемым напряжением, а не током, наибольшее распространение получила Y - система, описываемая следующими уравнениями:                                          

dIвх =  y11 dUвх + y12 dUвых ,                        (9)                              

           dIвых = y21 dUвх + y22 dUвых

Используя систему уравнений (9), можно определить условия и получить выражения для расчета значений входящих в нее коэффициентов, называемых низкочастотными малосигнальными у-параметрами или просто дифференциальными параметрами полевого транзистора:

y11 = dIвх / dUвх           при  dUвых = 0 , т.е. Uвых = const ,

y12 = dIвх / dUвых          при dUвх = 0 , т.е.     Uвх= const ,                     (10)

y21 = dIвых / dUвх          при  dUвых = 0 , т.е. Uвых = const ,

y22 = dIвых / dUвых       при dUвх = 0 , т.е.     Uвх= const ,

где  y11 - входная проводимость [Cм],

y12  - проводимость обратной передачи (обратной связи) [Cм],

y21 - проводимость прямой передачи [Cм], или крутизна характеристики передачи  S

y22  - выходная проводимость [См].

Следует отметить, что ввиду весьма малой величины входного тока ПТ с УП и очень слабого влияния на него со стороны Uвых величины у11 и у12 оказываются близкими к нулю и, как правило, практически не используются.

Параметр у21 часто обозначают буквой S, а вместо у22 используют величину, ему обратную и обозначаемую  как внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri:

Ri = 1 / y22 = Uвых / Iвых   при Uвх= const                (11)

Отношение величин у11 и у22 (или произведение  S и Ri) не имеет размерности и носит название статического коэффициента передачи по напряжению :

= y21 / y22 = S Ri = Uвых / Uвх при Iвх= const                (12)

3. Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры полевых транзисторов с изолированным затвором

3.1 Устройство и принцип действия

Принцип действия ПТ с ИЗ основан на управлении токопрохождением основных носителей заряда внутри канала путем изменения его сечения с помощью внешнего электрического тока, создаваемого изолированным от канала затвором.

3.1.1 Полевые транзисторы с индуцированным каналом (ПТ с ИК).

Понятие “индуцированный” канал означает, что в исходном состоянии (до подачи  напряже-

ний на выводы ПТ) канала, как пути прохождения тока от истока к стоку, не существует. Он индуцируется (наводится, появляется) только при определенных напряжениях на выводах ПТ.

ПТ с ИК п-типа состоит из пластины полупроводника р-типа (подложки), в которой с одной (верхней), стороны сформированы две изолированные друг от друга п-области, образующие выводы истока и стока (рис.4).

Участок поверхности полупроводника между п-областями покрыт слоем диэлектрика, сверху которого расположен металлический затвор. Благодаря своей структуре такие транзисторы получили название МДП или МОП транзисторов (структура металл-диэлектрик-полупроводник или металл-оксид-полупроводник, поскольку в качестве диэлектрика в основном используется оксид кремния SiO2).

При подключении внешнего источника Uси, как показано на рис.4 , оба р-п-перехода оказываются закрытыми и ток стока не течет. При подаче положительного напряжения между затвором и стоком (подложкой) основные носители заряда в подзатворной области (дырки) начинают вытесняться образующимся электрическим полем. При этом соотношение концентраций основных и неосновных носителей заряда в подзатворной области изменяется и при напряжении Uзи, большем некоторого порогового значения Uзи пор, концентрация неосновных носителей заряда (электронов) начинает превышать концентрацию основных (дырок), т.е. происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Благодаря этому в подзатворной области формируется  узкая зона полупроводника п-типа (канал), по которому начинает течь ток стока Iс. Увеличение Uзи приводит к росту тока стока, и наоборот.

3.1.2 Полевые транзисторы со встроенным каналом (ПТ с ВК)

Устройство ПТ с ВК в целом аналогично устройству ПТ с ИК, за исключением того, что в

процессе его изготовления п-области истока и стока соединяются узким каналом из полупроводника того же типа (рис. 5).

  При подключении внешнего источника Uси и при Uзи = 0 через канал течет ток стока, называемый начальным Iс нач. При увеличении Uзи ток стока увеличивается, так как возрастает проводимость канала за счет повышения в нем концентрации электронов и наоборот. При некотором отрицательном Uзи, называемом напряжением отсечки Uзи отс, происходит инверсия типа проводимости канала, т.е. между п-областями истока и стока появляется р-область и ток стока прекращается.

3.2 Статические характеристики и параметры

Ввиду практически аналогичных процессов, протекающих в ПТ с УП и в ПТ с ИЗ, внешний вид и характер зависимостей токов и напряжений, являющихся статическими характеристиками, также примерно одинаков (рис.6 , 7).

Перечислим основные отличия.

        1. Для ПТ с ИЗ не существует входных ( затворных ) характеристик, поскольку затвор изолирован слоем диэлектрика.
        2. Для ПТ с ИК не существует стоковых характеристик для Uзи         3. Для ПТ с ВК существуют стоковые характеристики как для положительных, так и для отрицательных Uзи, причем при Uзи>Uзи отс ток стока равен нулю.
        4. Для ПТ с ИК сток затворные характеристики начинаются при Uзи = Uзи пор, а для ПТ с ВК - при Uзи = Uзи отс.

Функциональные зависимости, описывающие стоковые и сток затворные характеристики ПТ с УП и с ВК в целом идентичны, а для ПТ с ИК представляются в виде:

Iс = 0,5  Uси (Uзи - Uзи пор - 0,5Uси) при  | Uси |  | Uзи  - Uзи пор |                (13)

Iс = (Uзи - Uзи пор)2                               при  | Uси |  | Uзи  - Uзи пор |          (14)

        где  - постоянный коэффициент, имеющий размерность [А/В2] и определяемый особенностями конструкции ПТ.

Приведенные выражения, описывающие стоковые и сток затворные характеристики, не всегда удобны, так как описывают  раздельно крутую и пологую области. Поэтому в ряде случаев применяют следующую аппроксимацию характеристик ПТ:

Iс = 0,5 (Uзи - Uзи отс)2 {1- exp[-k Uси / (Uзи - Uзи отс)]}  ,                 (15)

        где k - безразмерный коэффициент, подбираемый по наилучшему совпадению реальной и аппроксимируемой характеристик.

Из анализа СХ различных ПТ также вытекает, что СХ ПТ с различными типами проводимости каналов являются зеркальным отображением друг друга.

Физический смысл и определение статических параметров ПТ с ИЗ совершенно аналогичны рассмотренным для ПТ с УП.