2014-02-24
2521
Рис. 2.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения
Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.
Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.
Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n -переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.
В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.
Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.
Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n -типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.
Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц =1·109 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт.
Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением. Условное графическое обозначение варикапа представлено на рис. 2,5, в.
На варикап подают обратное напряжение. Барьерная емкость варикапа уменьшается при увеличении (по модулю) обратного напряжения. Характер изменения емкости у варикапа такой же, как и у обычного диода.
Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Условное графическое обозначение диода представлено на рис. 2.5,г.
Для примера изобразим (рис. 2.8) прямую ветвь вольт-амперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс =20 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс =20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).
Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода
Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц.
Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов.
В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.
Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод.
Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д.
Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток – не более 0,3 мА, постоянный обратный ток – не более 4 мА (при 
), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ).
Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением не превышает 0,05 мА.
Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода
Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.
Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.
Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:
Г, или 1 – германий или его соединения;
К, или 2 – кремний или его соединения;
А, или 3 – соединения галлия;
И, или 4 – соединения индия.
Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:
Д – диоды выпрямительные и импульсные;
Ц – выпрямительные столбы и блоки;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
А – сверхвысокочастотные диоды;
С – стабилитроны;
Г – генераторы шума;
Л – излучающие оптоэлектронные приборы;
О – оптопары.
Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) используются следующие цифры.
Диоды (подкласс Д):
1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого
тока не более 0,3 А;
2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого
тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;
4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного
сопротивления более 500 нс;
5 – импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не
свыше 500 нс;
6 – импульсные диоды с временем восстановления 30…150 нс;
7 – импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс;
8 – импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс;
9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных
носителей заряда менее 1 нс.
Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):
1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более
0,3 А;
2 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А;
3 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 А;
4 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А.
Варикапы (подкласс В):
1 – подстроечные варикапы;
2 – умножительные варикапы;
Туннельные диоды (подкласс И):
1 – усилительные туннельные диоды;
2 – генераторные туннельные диоды;
3 – переключательные туннельные диоды;
4 – обращенные диоды.
Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):
1 – смесительные диоды;
2 – детекторные диоды;
3 – усилительные диоды;
4 – параметрические диоды;
5 – переключательные и ограничительные диоды;
6 – умножительные и надстроечные диоды;
7 – генераторные диоды;
8 – импульсные диоды.
Стабилитроны (подкласс С):
1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
2 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
3 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В;
4 – стабилитроны мощностью не более 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В;
7 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
8 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
9 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В.
Генераторы шума (подкласс Г):
1 – низкочастотные генераторы шума;
2 – высокочастотные генераторы шума.
Примеры обозначения приборов:
2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В.
КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А.
ЗИ309Ж – арсенидогаллиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n– переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.
Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.
Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n – перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.
На рис. 3.1, а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 3.1, б).
Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 3.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения – на рис. 3.2, б.
Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p – дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.
Рис. 3.1. Структура транзистора типа n-p-n (а)
и его графическое обозначение (б)
Рис. 3.2.Структура транзистора типа p-n-p (а)
и его графическое обозначение (б)
Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.
Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции.
Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 3.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n– переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 3.4).
Рис. 3.3. Структура транзистора Рис. 3.4. Схема с двумя диодами
В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.
Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 – 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.
Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.
Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Представим три характерные схемы включения транзистора.
Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.5). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх. Учитывая, что 
, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.
Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)
Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)
Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как 
, а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.
Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают).
Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)
После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.
Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.
Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.
Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.
На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.
