Активные компоненты электронных схем

Для изменения электрических сигналов мало использовать в цепях только пассивные элементы. Для этого в электронике обширно применяются разные активные элементы, с нужными нелинейными характеристиками. Активными называются элементы цепи, которые отдают энергию в цепь, т. е., источники энергии. Существуют независимые и зависимые источники. Независимые источники: источник напряжения и источник тока. Источники напряжения (тока) называются зависимыми (управляемыми), если величина напряжения (тока) источника зависит от напряжения или тока другого участка цепи. Зависимыми источниками моделируются электронные лампы, транзисторы, усилители, работающие в линейном режиме. В настоящее время большое развитие и распространение получили приборы на основе полупроводников. Работа большинства из них, основанная на свойствах перехода p-n (дырочно-электронного перехода).

Дырочно-электронного переходом (ДЭП) называют некоторую область, на границе соединения двух полупроводников (p и n типа). ДЭП можно получить двумя основными способами:

• 1) вплавлением т. е., резкий переход;
• 2) диффузией примесей в полупроводниковый монокристалл, (тип примеси противоположен типу проводимости исходного полупроводникового монокристала) т. е., плавный переход.

Электрические свойства ДЭП легко понимаются, при рассмотрении процесса его образования. Концентрация основных носителей во много раз больше концентрации неосновных, в n области основные это электроны, а неосновные дырки, в p наоборот. Из-за этого при соединении n и p областей происходит диффузия электронов из n в p и дырок из p в n. Далее на границе ДЭП в nобласти остается связанный положительный заряд ионизированных атомов доноров, а в р-области — отрицательный, акцепторов. Данные заряды создают электрическое поле, которое препятствует диффузии, образуя так называемый запирающий слой. В области запирающего слоя отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего сопротивление тут велико. Вследствие постепенного образования запирающего слоя устанавливается равновесие зарядов. Потенциальный барьер или по-другому контактная разность потенциалов принимает постоянное значение. Следовательно полный ток через p-n переход равен нулю. Ширина р-п перехода (области запирающего слоя) не постоянна и зависит от многих факторов, таких как концентрация основных носителей, методов изготовления ДЭП, количества примесей и т. д.

При приложении напряжения U равновесие нарушается. Если приложить +U к области n (обратное смещение) потенциальный барьер для основных носителей растет и ток за счет них близок к нулю, но по цепи (источник питания — переход) то все-таки идет, его порождают неосновные носители заряда. Возникают они в результате термогенерации (процесс дополнительного переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости вследствие повышения температуры. В результате появляются дополнительные носители заряда — электроны и дырки) атомов исходного кристалла. Ток идет, так как для неосновных носителей слой объёмного заряда не является запирающим. Этот ток мал по величине, практически не зависит от обратного напряжения в области перехода, так как концентрация этих носителей постоянна при данной температуре и называется обратным или тепловым током p-n перехода. При увеличении обратного тока приводит к пробою, резкому возрастании тока протекающего через переход. Различают два основных вида пробоя:

• 1) туннельный;
• 2) электрический;
• 3) тепловой.

В первом случае основе пробоя лежит так называемый туннельный эффект, т. е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Второй вид пробоя это увеличение числа подвижных носителей заряда происходит за счет процессов ударной (лавинной) ионизации атомов. В третем случае — пробой возникает из-за нарушения теплового равновесия и чрезмерной повышения температуры полупроводника. Если приложить +U к области p (прямое смещение) потенциальный барьер запирающего слоя уменьшится. Основные носители заряда проходят ДЭП, образуя прямой ток через переход, достигающий значительных величин. Это называется инжекцией носителей. Инжектированные носители заряда диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с носителями заряда, приходящими из внешней цепи. Прямой ток через ДЭП устанавливается не мгновенно из-за инерционности, обусловленной процессами рекомбинации, он характеризуется временем жизни носителей заряда, величина которой определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов.

Рис. 1:

На рис. 1: вольт — амперная характеристика ДЭП, на которой различают как обратную ветвь так и прямую ветвь. Полупроводниковый диод — «электро» преобразовательный прибор с двумя выводами, его принцип действия основан на использовании свойств ДЭП которые я описал выше.

Рис. 2:

В зависимости от оформления p-n перехода полупроводниковые диоды различают на:

• 1) плоскостные;
• 2) точечные.

На рис. 2 приведена одна из наиболее распространенных структур плоскостного диода, изготовленного методом вплавления. В промышленности существуют следующие типы полупроводниковых диодов. Выпрямительные диоды — для преобразования из переменного тока в постоянный. В качестве основных материалов используются — Ge и Si. Прямое напряжение и рабочая температура кремниевых диодов выше, чем у германиевых, а частотные характеристики лучше у германиевых диодов. Диапазон же прямых токов и обратных напряжений диодов весьма широк: от 10 мА до 100 А и от 10 В до 10 кВ. Величина обратных токов диода может находиться в пределах 1 мкА — 1 мА. Обратный ток диода это не идеальность его выпрямительных свойств, то есть кремниевые диоды, имеющие существенно меньшие обратные токи перспективнее германиевых. Высокочастотные диоды — используются в качестве ключевых элементов в импульсных схемах. Для диода состояние «включено», это прямое смещение р-п перехода, а состояние «выключено» — обратное. Особенность этих диодов — малая ёмкость перехода, достигается технологическим путем, из-за чего время переходного процесса между двумя состояниями очень мало. Опорные диоды (стабилитроны) — предназначены для поддержания напряжения (напряжения стабилизации) при больших изменениях тока. Работают стабилитроны при отрицательном смещении на р-п переходе при U = Uобр. (рис. 1). Вольтамперные характеристики этих диодов имеют небольшую зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя. Основной параметр этих диодов — напряжение стабилизации. Параметрические диоды (варикапы) — используют в качестве конденсатора переменной ёмкости. Их принцип действия основан на барьерной ёмкости, изменять свою величину в зависимости от приложенного напряжения. Варикапы широко используются в схемах c автоматической подстройкой частоты, частотной и амплитудной модуляции, в схемах параметрических усилителей и др.

Светодиоды — приборы с р-п переходом, излучающие свет от прохождения в них прямого тока. Светодиоды — источники некогерентного излучения. Они изготовляются на основе полупроводниковых материалов, с высокой вероятностью излучающей рекомбинации. Основным параметром светодиодов является длина волны л излучаемого света, определяющая диапазон (цвет) излучения. Туннельные диоды — используются в схемах усилителей и генераторов, работающих в СВЧ диапазоне, в ключевых и импульсных быстродействующих схемах и др. Принцип действия их основан на туннельном эффекте, который возможен только в случае очень малой толщины ДЭП. Эти диоды изготавливают на основе высоких полупроводниковых материалов, например Ge и GaAs.

Фотодиоды — используются в качестве приемников светового излучения, их принцип работы это генерация пар носителей заряда под действием квантов света, эти пары разделяются p-n переходом, образуя при этом фотоэдс. Они работают при обратном смещении перехода. Эти диоды используются в двух основных режимах:

• 1) как датчик освещенности (в режиме фотоэдс);
• 2) как переменное сопротивление, которое включается последовательно с нагрузкой и зависит от внешней освещенности.

Весьма часто используется комбинация светодиода с фотодиодом в одном приборе, который называется оптроном или оптопарой. Эти приборы служат для «идеальной гальванической развязки» в маломощных (т. е., управляющих) и мощных — нагрузочных цепей. Диод Шотки — это диод, с выпрямительными свойствами основанными на использовании электрического перехода металл полупроводника. Если электрический переход между полупроводником и металлом имеет свойство односторонней проводимости это выпрямляющий переход, а если его свойства подчиняются линейному закону Ома — это омический переход. Омический переход применяют для создания внешних выводов от области полупроводника. В рассматриваемом приборе используется электрический переход Шотки.

Этот переход моет возникать между металлом и полупроводником, в том случае если у них разные величины работ выхода электронов. Если полупроводник n-типа работа выхода должна быть меньше, чем работа выхода из металла. т. е., Ап < Ам. Тиристоры — полупроводниковые приборы, основанные «pnp"-n переходе, то есть на трех переходной диодной структуре, они делятся на три основные типа:

• 1) динисторы;
• 2) тринисторы (часто называют просто тиристорами);
• 3) симисторы.

Их назначение — коммутация больших токов в большом диапазоне напряжений на нагрузке. На рис. 3 показана модель динистора, состоящая из трёх p-n переходов.

Рис. 3:

При определенном напряжении «включения» между анодом и катодом, в коллекторном переходе создаются условия достаточные для лавинообразного нарастания числа неосновных носителей заряда, в результате этого электрическое сопротивление резко падает, а прямой ток возрастает, а его величина будет определяться сопротивлением нагрузки включенной последовательно и приложенным напряжением. После включения динистор выключается только уменьшением прямого тока до величины Iвыкл.

Рис. 4:

Тринистор же отличается от динистора «управляющим» выводом, которым можно управлять, что происходит подачей напряжения.

Рис. 5:

Рис. 6:

Ещё одна разновидность тринистора — симистор (симметричный триодный тиристор).

Рис. 7:

Его характеристика обладает симметрией в 1 м. и 3 м. квадрантах, следовательно симистор коммутирует переменный ток в нагрузке.

Рис. 8:

Его можно рассматривать как управляемый выключатель. То есть когда он закрыт он представляет собой разомкнутый выключатель. А подача тока на его управляющий электрод приводит его проводящее состояние, то есть в состояние замкнутого выключателя.

Без управляющего тока симистор неизбежно перейдёт из проводящего в закрытое состояние. Управление тиристорами ведется только на включение, выключить их можно только снижая ток нагрузки. В принципе могут существовать тринисторы с включением и с выключением при помощи управляющего электрода, но при этом, ток выключения сравним с током нагрузки по величине, из-за этого они почти не используются.

Условные графические обозначения диодов:

• 1) выпрямительный диод;
• 2) стабилитрон;
• 3) варикап;
• 4) туннельный диод;
• 5) диод Шоттки (контакта: металл-полупроводник);
• 6) светодиод;
• 7) фотодиод;
• 8) диодный оптрон (оптопара);
• 9) динистор;
• 10) тринистор управляемый по катоду (напряжение управления действует между катодом и управляющим электродом);
• 11) симистор управляемый по катоду.

На принципиальных схемах УГО диодов сопровождают буквами «VD».

Система обозначений диодов в конструкторской документации, первый элемент обозначается цифрой или буквой: 1 или Г (германий), 2 или К (кремний), 3 или, А (арсенид галлия), второй элемент обозначается буквой (буквами):

Д — выпрямительный диод;

В — варикап;

А — СВЧ диод;

И — туннельный диод;

С — стабилитрон;

Ц — выпрямительные блоки;

У — тиристоры;

АЛ — излучающие диоды;

ФД — фотодиоды.

Третий элемент обозначается трехзначным число — свойством группы, четвёртый элемент обозначается буквой — особенности внутри группы.

Примеры обозначений:

1Д402А — германиевый выпрямительный диод;

КД 202В — кремниевый выпрямительный диод;

КС107А — кремниевый стабилитрон;

КУ 208 Г — кремниевый симистор;

КВ110Б — кремниевый варикап.

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, с принципом действия основанном на взаимодействии близко расположенных ДЭП.

На рис. 9 приведена структура биполярного транзистора типа «pnp».

Рис. 9:

Эмиттер (Э) — это область, содержащая высокую концентрацию дырок, база (Б) — тонкая область между эмиттером и коллектором (К). Переход, образующийся на границе области эмиттер-база, называется эмиттерным, соответственно на границе база-коллектор — коллекторным. Площадь эмиттерного перехода в несколько раз меньше площади коллекторного перехода. Классифицируются биполярные транзисторы:

• 1) по материалам полупроводников (Ge, SI, GaAs и т. д.);
• 2) по порядкам следования областей (pnp и npn — транзисторы);
• 3) по механизмам движений неосновных носителей заряда (диффузионные и дрейфовые);
• 4) по мощностям (малая, средняя и большая мощность);
• 5) по частотам (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверх частотные).

Рассмотрим принцип действия на примере транзистора типа pnp. Возникающий этом ток Iк лишь чуть-чуть меньше тока в эмиттере Iэ. А так как, в области базы дырки неосновные носители заряда, работа транзистора основанная на неосновных носителях заряда, так же, наличие 2х источников смещения переходов поясняет происхождение термина «биполярный». Из-за смещения коллекторного перехода в обратном направлении, сопротивление его будет выше на несколько порядков сопротивления эмиттерного перехода. С включением в цепь коллектора сопротивления нагрузки Rн относительно не большое изменение напряжения на эмиттере вызовет большое изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении. Из-за различий входного и выходного напряжения транзистор даст усиление по мощности. Различное сочетание величин и полярностей напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах транзистора даёт возможность работать в областях отсечки, насыщения и в активной области. Область отсечки отличается обратным смещением на двух переходах, область насыщения отличается прямым смещением на двух переходах, а активная область отличается обратным смещением на одном переходе и прямым на другом.

При разном сочетании напряжений, транзистор работает в прямом (т. е., нормальном) и в обратном (т. е., инверсном) включении. В инверсном случае коллектор служит эмиттером, а эмиттер — коллектором. В режиме е усиления при небольших сигналах транзистор работает исключительно в активной области, но при больших сигналах еще и в области отсечки. А в режиме переключения транзистор может работать во всех трёх областях — насыщения, активной и отсечки.

В зависимости, общего электрода для входной и выходной цепи, есть три схемы включения транзисторов (рис. 10):

• — с общей базой (ОБ);
• — с общим эмиттером (ОЭ);
• — общим коллектором (ОК).

Рис. 10:

Схема:

• а) ОБ: входным током является Iэ, а выходным — Iк;
• б) ОЭ: входным током — ток базы, а выходным — Iк;
• в) ОК: входным током — ток базы, а выходным — Iэ.

Для всех схем включения транзистора принцип работы не отличается.

Статические характеристики транзистора это семейство выходных и входных характеристик транзистора, снятые при малом изменении тока и напряжения, с возможностью пренебречь инерционностью приборов.

Статические характеристики различные для разных схем включения транзистора.

На рис. 11 изображены семейства выходных характеристик:

к = f (Uк)? э = const.

— входных:

э = f (Uэ) ?Uк = const.

— транзистора, который включён по схеме с общей базой.

Рис. 11:

На семействе выходных характеристик можно выделить 3 области:

Р — активная, усиления транзистора;

РР — отсечки;

РРРнасыщения.

Полученные выходные характеристики не совпадают теоретическими в том, что при увеличении Uк есть рост Iк. Это объясняют главным образом сужением базы во время расширении коллекторного перехода из-за приложенного напряжения (Uк). Так же, через коллекторный переход проходит тепловой ток который связан с наличием неосновных носителей заряда в области базы и коллектора, их концентрация увеличивается примерно в 2 раза при повышении температуры коллекторного перехода с шагом 100С из-за генерации. Этот тепловой ток оказывает влияние на аддитивную погрешность транзисторной усилительной схемы и его необходимо учитывать при проектировке усилительных схем, которые работают в широком температурном диапазоне. Транзисторы, также как и любые электронный приборы, характеризуются предельными режимами, их превышение приводит к нарушениям работы приборов и выходу их из строя. Максимальные напряжения ограничиваются пробивными соответствующих переходов, а максимально допустимая мощность и ток ограничиваются максимально допустимой температурой коллекторного перехода, которая не приводит к тепловому пробою. ток полупроводниковый тиристор В схемах включения транзисторов на рис. 10 источник постоянных напряжений (Е) создаёт начальные токи на выводе транзистора (токи покоя), которые необходимы чтобы работать в линейной области выходных и входных характеристик, источник переменных напряжений (U) создаёт знакопеременные превращения начальных токов, они в усилительных схемах не должны привести к нелинейным искажениям, в данной области должны быть «малы». Источник напряжений можно, рассматривать в виде источников входного сигнала, который подлежит усилению. Этот режим работы с «малыми» сигналами называется рабочим (или динамическим) или режимом класса «А», его используют в линейных усилителях. Если рабочая точка транзистора в начальном режиме находится на границе области отсечки (то есть коллекторный ток может только увеличится), то транзистор работает в классе «В», промежуточный режим между ними называется классом «АВ». Один из видов класса «В» это режим класса «С», при нём на выходе воспроизводится только часть положительной полуволны входного сигнала, класс «Д» представляет собой ражим при котором рабочая точка находится, или на границе области насыщения, или на границе области отсечки это называется ключевой режим. Основные параметры транзистора — коэффициенты передачи токов:

б = к? э.

— коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор, он меньше единицы за счёт рекомбинации части носителей в базе (базового тока), примерный диапазон значений: 0,9−0,99 в зависимости от типа транзистора:

в = к? б.

— коэффициент передачи базового тока в коллектор, примерный диапазон значений 10−1000 в зависимости от типа транзистора.

Условные графические обозначения различных типов полевых транзисторов приведены на рис. 12.

Рис. 12:

В транзисторах с изолированным затвором обычно делают вывод от подложки (П), который используют в некоторых случаях как второй затвор, как правило, он накоротко соединяется с истоком. В схемах полевые транзисторы обозначаются, так же как и биполярные буквами «VT», а в перечнях элементов буквами «КП» и числом, которое кодирует свойства этого типа транзисторы, например, КП 720 — мощный полевой транзистор с индуцируемым каналом n-типа.