Теория электропроводимости полупроводников

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сравнительная характеристика (свойства) полупроводников, диэлектриков, проводников

полупроводник транзистор микросхема

Проводники и диэлектрики отличаются друг от друга по электропроводности. Для проводников удельное сопротивление находится в пределах от 10^-5 до 10^-8 Ом*м, а для диэлектриков изменяется в пределах от 10¹⁰ до 10¹⁶ Ом*м. Эти показывает, насколько велик интервал значений удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Полупроводники - материалы, с электропроводностью промежуточной между проводниками и диэлектриками. К ним относятся элементы IV группы таблицы Менделеева германий и кремний, карбид кремния, селен, соединения элементов III группы с элементами V группы и другие вещества.

Присутствие в металлических проводниках посторонних примесей мало влияет на концентрацию подвижных носителей зарядов, изменяя их подвижность. Примеси металлов, увеличивают их сопротивление. Атомы примесей диэлектриков имеют электроны, слабо связанные с атомами. Электроны отрываются от атомов и переходят в свободное состояние. Электропроводность диэлектриков определяется количеством содержащихся в них примесей. Примеси в диэлектрике уменьшают сопротивление. У полупроводников, примеси уменьшают их сопротивление. Специальный подбор примесей изменяет сопротивление полупроводников в нужном направлении. Примесные полупроводники применяются в технике.

У металлов сопротивление при нагревании возрастает, а при охлаждении уменьшается и становится равным нулю при сверхпроводимости. Сопротивление диэлектриков при нагревании уменьшается, оставаясь большим. Твердые диэлектрики плавятся прежде, чем приобретают большую проводимость. У полупроводников энергия, отрыва электронов от атомов, меньше, чем у диэлектриков. При нагревании полупроводников количество подвижных носителей зарядов возрастает, и сопротивление уменьшается. При понижении температуры сопротивление возрастает, и при низких температурах их сопротивление так же велико, как и у диэлектриков. Сверхпроводимость у полупроводников отсутствует. Освещение полупроводника уменьшает его сопротивление, так как излучение приносит энергию, для образования подвижных носителей зарядов в полупроводнике.

2. Основные свойства германия, кремния, селена (вольтамперная характеристика)

Полупроводниковый диод - прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо - противоположного направления. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ. Германий, применяемый в полупроводниковых приборах, обладает удельным сопротивлением от миллионных долей Ом, до значений, близких к удельному сопротивлению собственного германия. На электрические свойства германия оказывает сильное влияние термообработка.

В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых - в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают. С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) диода:



где r_б - омическое сопротивление базы диода.

ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

Селен - это элемент VI группы таблицы Менделеева и обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в нескольких аллотропных модификациях - стеклообразной, аморфной, моноклинной, гексагональной. Существенным преимуществом кремниевых полупроводниковых диодов по сравнению с полупроводниковыми диодами на основе германия и селена является значительно меньшее значение обратного тока и высокий коэффициент температурной стабилизации, что позволяет применять их в более широком диапазоне рабочих температур с более высокими значениями рабочих напряжений. Поэтому современные сварочные выпрямители комплектуют кремниевыми управляемыми и неуправляемыми диодами.

3. Теория электропроводимости полупроводников

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным, а там, где он был до этого, образуется пустое место - дырка. Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. В зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной. Полупроводники, с электронной электропроводностью называют полупроводниками с электропроводностью типа (n) или, полупроводниками (n) типа. Здесь латинская буква n - начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основным носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны.

Полупроводники с дырочной электропроводностью называют полупроводниками типа (р). Латинская буква р - первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный».Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов - дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и полупроводники типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводниками типа n принято считать такие полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводникам типа р - полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).

4. Примесная электропроводность

Примесная проводимость полупроводников - электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей. Примесная проводимость превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Примесными центрами могут быть:

атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие). Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока - электронов или дырок.

5. Электронно-дырочный переход

p-n-перехомд или электронно-дырочный переход - область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости - дырочной (p, от англ. positive - положительная) и электронной (n, от англ. negative - отрицательная). Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольтамперной характеристикой (диодов, транзисторов и других).

В полупроводнике p-типа, который, получается, посредством акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа, который, получается, посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток - основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе, получает при этом отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками.

Таким образом, на границе полупроводников образуются два слоя с пространственными зарядами противоположного знака, порождающие в переходе электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается. Обеднённые области с неподвижными пространственными зарядами и называют p-n-переходом.

6. Полупроводниковые диоды (выпрямительные, лавинные, варикады, стабилизаторы, туннельные)

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и 2 вывода для подключения к внешней цепи. По структуре, состоит из областей pиn-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом. р-n переход создается за счет контакта либо двух полупроводников с различным типом проводимости (электронной и дырочной), либо за счет контакта металла и полупроводника.

Выпрямительные диоды - для преобразования переменного тока в однополярный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Выпрямительные диоды делятся на:

1) Силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях=50 кГц/: диоды малой мощности: < 300 мА, диоды средней мощности: 300 мА << 10 А, диоды большой мощности: 10 А <.

2) Маломощные (высокочастотные) для применения в разного рода детекторах=10100 МГц.

Лавинные диоды - это разновидность выпрямительных диодов. Могут использоваться в цепях защиты от перенапряжения.

Стабилитрон - диоды особой конструкции, работающие в режиме пробоя при отрицательном напряжении, используемые для стабилизации напряжений.

Варикапы - полупроводниковые приборы, в которых используется барьерная емкость р-п-переходов. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением. Варактор - варикап, используемый в умножителях частоты. Используется в радиопередатчиках, где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

Туннельный диод - полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. Туннельный эффект достигается созданием очень узкого обедненного слоя, проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах.

7. Биполярные транзисторы p-n-p типа

Биполярный транзистор -- трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей -- электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar). Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента. Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока ("внутрь" для транзистора PNP). PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

8. Динамический режим работы биполярных транзисторов

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор R_С, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком (ОИ).

Постоянное напряжение питания каскада U_п равно сумме падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе R_с,:

U_п=U_R +U_си.р

Согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе R_С равно произведению протекающего по нему тока I_с.р на его сопротивление:

U_Rс = I_с.р·R_С

Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет:

U_п = U_си.р + I_с.р·R_С

Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи:

U_си.р = U_п - I_с.рR_с, - уравнение динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Чтобы провести динамическую характеристику, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания U_П каскада и точку стока в режиме насыщения I_С.нас.



9. Полевой транзистор с затвором в виде p-n перехода

Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р_n перехода. На рисунке 1 показана одна из возможных топологий такого транзистора.

Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р-n переходов - каналом, а сильно легированные n⁺ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.

При приложении напряжения V_GS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода, происходит расширение обедненной области р-n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка.

При этом уменьшается поперечное сечение канала, а, следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток V_DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора.

Знак напряжения V_DS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению V_GS.

Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

10. Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов - с встроенным и с индуцированным каналом.

11. Тиристор

Тиристор -- полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:

«закрытое» состояние -- состояние низкой проводимости;

«открытое» состояние -- состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров (трех-переходной структуры) -- управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, или (для двух-переходной струтуры) где открывание тиристора происходит, если разность потенциалов между его выводами превышает напряжение пробоя. Также тиристоры применяются в переключающих устройствах.

Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом: по способу управления; по проводимости:

тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например, тринистор, изображённый на рисунке);

тиристоры, проводящие ток в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

12. Общие сведения о микросхемах. Классификация и маркировка (перечислить микросхемы)

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными.

Полупроводниковая микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы. Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным - микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм.

Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, линейная микросхема. С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры. Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его часть. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцессорным комплектом. В последние годы в классификацию ИС вводятся новые понятия: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказные.

Заказная микросхема - микросхема, разработанная на основе стандартных и (или) специально созданных элементов узлов по функциональной схеме заказчика предназначена для определенной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов (в том числе матричных).

13. Технология изготовления гибридных микросхем

Гибридная интегральная схема - микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно, технологически и электрически на поверхности диэлектрической (стеклянной, керамической) подложки. В технологии ГИС пассивные элементы (резисторы, проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и изоляционные слои) изготовляют в одном технологическом цикле в виде металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки.

Активные компоненты (диоды, транзисторы), а при необходимости также микроминиатюрные дискретные пассивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности и т. п.) монтируются на поверхности подложки и соединяются с другими элементами. В зависимости от технологического процесса формирования пассивных элементов гибридные схемы разделяются на тонкопленочные и толстопленочные.

14. Технология изготовления полупроводниковых микросхем

Базовой технологией создания полупроводниковых ИС является эпитаксиалъно-планарная технология, по которой поверхность полупроводниковой монокристаллической пластины вначале окисляют. Затем осуществляют локальное травление оксида слоя и через вскрытые в нем окна производят легирование полупроводника. Легирующие примеси диффундируют в подложку из газовой фазы при высокой температуре. Последующим окислением окна снова закрываются. Повторяя технологические операции окисления, селективного травления и диффузии различных примесей, можно реализовать различные схемные элементы: диоды, транзисторы, сопротивления и емкости. Однако емкостные элементы в связи с их большой площадью и высокой стоимостью технологических операций в ИС практически не применяют. На одной пластине монокристалла полупроводника диаметром около 100 мм формируется одновременно до нескольких тысяч ИС.

Последующими операциями технологического процесса являются: получение вакуумным напылением или фотолитографией металлических проводников, которые соединяют элементы схемы, и контактных площадок, отбраковка пластин по параметрам отдельных ИС, разрезка пластины на отдельные ИС, монтаж ИС в корпусе, соединение контактных площадок с выводами корпуса, герметизация.

15. Электронно-лучевая трубка (кинескоп, телескоп)

Кинескоп (от др. греч. кйнЭщ - «двигаю» и укпрЭщ - «смотрю») - электронно-лучевой прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. Кроме термина Кинескоп, применяется аббревиатура ЭЛТ (электронно-лучевая трубка). Широко применяется в устройстве телевизоров, до 1990-х годов использовались телевизоры исключительно на основе кинескопа. В названии прибора отразилось слово «кинетика», что связано с движущимися фигурами на экране.

Телескоп (от др. греч. ф?ле [tele] - далеко + укпрЭщ [skopeo] - смотрю) - прибор, с помощью которого можно наблюдать отдаленные объекты путём сбора электромагнитного излучения (например, видимого света). Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы. Кроме того, детекторы нейтрино часто называют нейтринными телескопами. Также, телескопами могут называть детекторы гравитационных волн.

16. Светодиоды

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emittingdiode, LED) - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) - в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить, лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

17. Фотоприборы с внутренним фотоэффектом (фотодиод, фототранзистор, фотосопротивление, фототиристор). Рассказать о внутреннем и внешнем фотоэффектах

Фотодиод - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Работу, основанную на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, образуя заряд и ЭДС) называют солнечный элемент. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Фототранзистор - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Имеет структуру n-p-n или p-n-p, может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Фотосопротивление (ФС) - устройство, сопротивление которого меняется под действием света за счет явления внутреннего фотоэффекта. Это явление наблюдается в диэлектриках и полупроводниках.

Фототиристор - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет - менее 1 мкс. Изготавливают из кремния, и спектральная характеристика, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов. Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

18. Параметры и характеристики усилителей

Усилитель - это устройство, предназначенное для увеличения (повышения) мощности входного сигнала за счёт потребления энергии от внешнего источника питания.

Параметры - это числовые значения

Характеристики - это графики зависимостей одних величин от других

Основными параметрами усилителей являются:

1) входные и выходные данные:

Входные:

номинальные входное напряжение U_вх, входной ток I_вх, входная мощность P_вх = U_вхI_вх, входное сопротивление R_вх.

Выходные:

номинальные выходное напряжение U_вых, выходной ток I_вых, выходная мощность P_вых = U_выхI_вых, выходное сопротивление R_вых.

2) коэффициенты усиления:

по напряжению

,

по току

,

по мощности

.

3) коэффициент полезного действия

, (1)

где - мощность, потребляемая от источника питания;

4) динамический диапазон



, (2)

где - максимально допустимое входное напряжение, превышение которого вызывает недопустимые нелинейные искажения сигнала;

- минимальное входное напряжение, ниже которого выходной сигнал невозможно различить на фоне собственных помех усилителя.

1) амплитудная характеристика U_вых = f (U_вх), называемая также характеристикой вход-выход

2) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты f или = 2f;

3) фазочастотная характеристика (ФЧХ), иногда называемая просто фазовой характеристикой, представляет собой зависимость угла сдвига по фазе выходного сигнала относительно входного от частоты.

19. Режим работы транзистора в усилительных каскадах. (УНЧ, УПТ нарисовать схему)

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. По диапазону усиливаемых частот усилители делятся: · на усилители постоянного тока (УПТ), на усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ).

Усилитель постоянного тока (УПТ) - электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). Усилитель низкой частоты это такое устройство для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеческим ухом диапазону частот, т.е. УНЧ должны усиливать в диапазоне частот от 20 ГЦ до 20 кГц, но некоторые УНЧ могут иметь диапазон и до 200 кГц. УНЧ может быть собран в виде самостоятельного устройства, или использоваться в более сложных устройствах - телевизорах, радиоприёмниках, магнитолах и т.п.

Простейшая схема УПТ. В УПТ нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃R₄, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R₁R₂. Потенциалы средних точек делителей таковы, что в отсутствие входного напряжения (U_вх=0) j_б=j₁ и j_к=j₂, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (I_н=0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R₅.

Схема УНЧ: Сигнал, требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад, построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи.

Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной составляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3.

Но следует учитывать, что слишком сильное увеличение сопротивления R7 приведет к возбуждению.

20. Температурная стабилизация усилителей

Эмиттерная стабилизация: в цепь эмиттера транзистора врезается резистор R_э падение напряжения, на котором R_эI_э образует напряжение отрицательной обратной связи по постоянному току I_к:

Увеличение эмиттерного тока из-за роста температуры приводит к увеличению напряжения обратной связи, что автоматически уменьшит U_бэ и призакроет транзистор. Такая стабилизация не устраняет совсем нестабильность положения точки покоя, но сильно ее уменьшает. Коллекторная стабилизация: напряжение отрицательной обратной связи подается через R_б, которое одновременно обеспечивает смещение транзистора:

Если в схеме эмиттерной стабилизации используется обратная связь по току, то в схеме коллекторной стабилизации -- обратная связь по напряжению. Эта обратная связь эффективна лишь при достаточно больших R_к и обеспечивает удовлетворительную стабилизацию точки покоя при изменении температуры не более чем на 20-30°С. Для того чтобы переменная составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы и не ослабляла усиления, R_б разбивают на два резистора и включают фильтрующую емкость С_ф. Емкость можно подключить к любому полюсу источника питания. Схема коллекторной стабилизации менее эффективна, чем эмиттерная, но в ней не происходит снижения U_к. Наилучшей стабильностью обладают усилители, содержащие цепи как эмиттерной, так и коллекторной стабилизации. Полная термокомпенсация усилителей на практике затруднена из-за невозможности полностью синхронизировать температуру транзистора и термокомпенсирующего элемента.

21. Усилительный каскад с ОЭ

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного. Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.



22. Усилительный каскад с ОК, ОБ

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) -- одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное -- велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

23. УПТ

Усилитель постоянного тока (УПТ) -- электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе. В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Размещено на Allbest.ru