Материал: Расчет диода, его характеристики

Импульсные диоды

Импульсные диоды, предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода при подаче на него импульсного напряжения.

Рисунок 14 - Импульсный диод

Вольт-амперная характеристика импульсного диода представлена на рисунке 15:

Рисунок 15 - Вольт-амперная характеристика импульсного диода

В промежуток времени от 0 до p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст, которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода. В момент времени p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов. Вместо золота также можно использовать серебро, медь, никель, палладий и другие легирующие вещества этого ряда металлов.

Классификация и основные особенности транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

• - По материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;
• - По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой (p-n-p - структура) или обратной проводимостью (n-p-n - структура);
• - По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные);
• - По частотным свойствам;
• · НЧ (<3 МГц);
• · СрЧ (330 МГц);
• · ВЧ и СВЧ (>30 МГц);
• - По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3 - 3 Вт), мощные (>3 Вт)[11]. Маркировка транзисторов представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Маркировка транзисторов

I - материал полупроводника: Г - германий, К - кремний.

II - тип транзистора по принципу действия: Т - биполярные, П - полевые.

III - три или четыре цифры - группа транзисторов по электрическим параметрам. IV - модификация транзистора в 3-й группе.

Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведённой таблицей 1.

Таблица 1. Частотные свойства и мощность транзисторы

Устройство биполярных транзисторов - рисунок 17. Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база.

Рисунок 17 - Устройство биполярного транзистора.

Область, имеющая большую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером. P-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой - эмиттерным переходом.

Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе - несколько меньше, чем в эмиттере. В базе - во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Рисунок 18 - Устройство полевого транзистора.

Полевой транзистор имеет три основных электрода: управляющий электрод - затвор 3 и выходные электроды - сток С и исток И. Стоком называется электрод, к которому поступают носители заряда из канала. Если канал, например, n-типа, то носители заряда, поступающие из канала - электроны, а полярность напряжения стока положительная. Возможен также четвертый электрод П, который соединяется с пластиной исходного полупроводника - подложкой.

Система обозначений транзисторов

На рисунке 19 приведены основные обозначения полевых транзисторов; для сравнения здесь же показаны обозначения биполярных транзисторов.

Рисунок 19 -Условные обозначения: а - биполярного транзистора; б - МДП- транзистора с индуцированным каналом; в - ПТУП

МДП - транзисторы с индуцированным каналом (нормально закрытые) имеют пунктирную линию в обозначении канала, полевые транзисторы со встроенным каналом (нормально открытые) - сплошную. Стрелка в обозначении полевых транзисторов определяет тип канала: направлена к каналу - для канала n-типа и от канала - для р - типа. Практически направление стрелки совпадает с направлением тока стока в стоковом электроде, что позволяет легко определить полярности управляющего (3-И) и выходного (С-И) напряжений.

Семейство выходных ВАХ МДП - транзистора с индуцированным каналом представлено на рисунке 20.

Рисунок 20 - Семейство выходных ВАХ МДП- транзистора с индуцированным каналом

Параметром семейства выходных ВАХ МДП-транзистора является напряжение на затворе Uзи с увеличением напряжения Uзи сопротивление канала уменьшается и ток стока IС возрастает - характеристика идет выше.

Можно выделить три основные рабочие области:

область отсечки выходного тока: транзистор заперт и в цепи стока протекает малый остаточный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового р-n перехода.

активная область (пологая часть выходных ВАХ) - область где выходной ток IС остается практически неизменным с ростом напряжения Ucu.

область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток IС в этой области работы задается внешней цепью.

МДП - структура с индуцированным каналом

МДП - структура состоит из полупроводника П - обычно кремний, тонкого слоя диэлектрика Д - чаще всего диоксид кремния, металлической пленки М. Управление выходной мощностью в МДП - структуре сводится к управлению сопротивлением канала, который возникает (индуцируется) под действием поля затвора у поверхности полупроводника П. Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств. Можно выделить два основных режима МДП - структуры. Во-первых, режим обеднения, когда у поверхности полупроводника структуры отсутствуют подвижные носители заряда и соответственно сопротивление канала очень большое (канал закрыт); заряд у поверхности полупроводника при этом представляет собой неподвижные ионы обедненной примеси (область пространственного заряда ОПЗ). Во-вторых, режим инверсии, при котором у поверхности полупроводника индуцируется заряд подвижных носителей (дырок или электронов в зависимости от типа канала), сопротивление канала уменьшается (канал открыт). Чем больше концентрация подвижных носителей, тем меньше сопротивление канала и тем большая мощность передается в нагрузку. Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда -- дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).