Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургская государственная академия холода и пищевых технологий

Кафедра электротехники

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННЫХЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Часть 2

Методические указания для самостоятельного изучения дисциплины

“Электротехника и электроника”для студентов всех специальностей

Санкт-Петербург 1998

3

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургская государственная академия холода и пищевых технологий

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.МАКРОЭКОНОМИКА.

Темы, вопросы и заданиядля студентов специализации 060808

Факультет экономики и менеджментаКафедра экономики и финансов

Санкт-Петербург 1997

4

УДК 621.3

Евстигнеев А. Н., Кузьмина Т. Г., Новотельнова А. В. Элементная база современных электронных схем. Часть 2.: Метод. указания для самостоятельного изучения дисциплины “Электротехника и элект-роника” для студентов всех спец. СПб.: СПбГАХПТ, 1998. 33 с.

Рассмотрены физические процессы, основные параметры и характеристики биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, фотоэлектронных приборов и цифровых индикаторов.

РецензентыДоктор техн. наук, проф. Г. А. ЖодзижскийКанд. техн. наук, доц. Ю. А. Рахманов

Одобрены методическим советом факультета ТПП

Санкт-Петербургская государственная

академия холода и пищевых технологий,

1998

5

1. ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторы полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности.

По принципу действия транзисторы можно разделить на две группы: биполярные и полевые.

1.1. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, разделенных электронно-дырочными переходами1.

Биполярные транзисторы подразделяют на два класса: типа p-n- p и типа n- p- n.

Структуры и условные изображения транзисторов типа n- p- n и p-n- p показаны на рис 1.

Рис. 1. Структура (а) и условное обозначение (б) биполярного транзистора n p n-типа.. Структура (в) и условное обозначение (г) биполярного транзистора p-n- p-типа

Область транзистора, расположенную между электронно-дырочными переходами, называют базой (Б).

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), соответствующий электронно-дырочный переход эмиттерным.

6

Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), соответствующий электронно-дырочный переход коллекторным.

1 Название “биполярный” объясняется тем, что ток в транзисторе определяется движением носителей заряда двух типов (электронов и дырок).

Каждый p-n-переход обладает диодными свойствами, но при соединении двух дискретных выпрямительных диодов усилительного прибора получить невозможно. Особенность транзистора заключается в том, что оба его электронно-дырочных перехода расположены очень близко друг к другу и между ними имеется взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом.

В транзисторах на p-n-переход эмиттербаза напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях через него проходят значительные токи. На переход коллекторбаза напряжение подается в обратном направлении. Оно обычно в несколько раз выше напряжения перехода эмиттербаза.

Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n (транзистора типа p-n-p работает аналогично). Между коллектором и базой транзистора приложено напряжении ЕК (рис. 2).

Рис. 2

В рассматриваемом случае база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей. Такая схема включения транзистора называется схемой с общей базой, при этом эмиттерная цепь является входной, т.е. к ней подключается источник питания сигнала, в коллекторная выходной.

7

Когда эмиттерный ток равен нулю, небольшой ток в транзисторе через коллекторный переход IКо обусловлен движением только неосновных носителей заряда (дырок из коллектора в базу, электронов из базы в коллектор).

При повышении температуры число неосновных носителей заряда увеличивается и ток IКо возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет 10100 мкА у германиевых и 0,110 мкА у кремниевых транзисторов.

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания (рис. 3) возникает эмиттерный ток IЭ. Так как высокое напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают его и попадают в область базы. База выполнена из полупроводника р-типа, поэтому электроны являются для нее неосновными носителями заряда. Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с ее дырками. Однако базу обычно выполняют из полупроводникового материала р-типа с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая, и лишь немногие электроны, попавшие в область базы, рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток IБ.

Рис. 3

Большинство электронов вследствие теплового движения (диффузии) и воздействия поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя в коллекторной цепи ток IК.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

d

d К

Э

К

ЭU U

constКБ КБ

I

I

I

I

8

Из принципа действия транзистора видно, что IК IЭ и коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов = 0,90,995.

При IЭ 0 ток коллектора

IК = IКо + IЭ IЭ.

Схему с общей базой применяют крайне редко ввиду низкого коэффициента передачи тока.

Чаще встречается схема включения биполярного транзистора, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер (рис. 4). Для такой схемы входной ток равен току базы

Рис. 4

IБ = IЭ IК = (1 ) IЭ IКо IЭ IК.

Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером:

= dIК/dIБ IК/IБ.

Малое значение входного (управляющего) тока IБ и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Вольт-амперные характеристики транзисторов(при включении по схеме с общим эмиттером)

Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером UБЭ называют входной или базовой характеристикой транзистора (рис. 5).

9

Рис. 5

Входные характеристики мало зависят от UБЭ, поэтому обычно приводят одну характеристику.

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы называют семейством выходных (коллекторных) характеристик (рис. 6).

Рис. 6

h-параметры биполярных транзисторов

Для анализа и расчета цепей с биполярными транзисторами используют так называемые h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

10

h11Э = UБЭ/IБ при UКЭ = const (UКЭ = 0); h12Э = UБЭ/ UКЭ при IБ = const (IБ = 0); h21Э = IК/IБ при UКЭ = const (UКЭ = 0); h22Э = IК/ UКЭ при IБ = const (IБ = 0).

Параметр h11Э имеет размерность сопротивления и представля- ет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h12Э безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению. Значение его лежит в пределах 0,002...0,0002. Параметр h21Э безразмерный коэффициент передачи тока, характеризует усилительные свойства транзистора. Параметр h22Э имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Характеристики транзисторов сильно зависят от температуры. С повышением температуры возникает обратный ток IКо, повышается коэффициент h21Э вследствие увеличения подвижности носителей.

h -параметры, особенно коэффициент передачи тока h21Э, зависят от частоты переменного напряжения, так как на высоких частотах начинает сказываться время, за которое носители заряда проходят расстояние от эмиттера до коллектора.

Предельно допустимые эксплуатационные параметры биполярного транзистора

К предельно допустимым относят параметры, которые не должны превышаться во всех возможных режимах работы транзистора.

Максимальная и минимальная температуры р-n-перехода, выше и ниже которых транзистор теряет свои усилительные свойства. Максимальное значение температуры перехода для германиевого транзистора Tmax = 90...100С, для кремниевого Tmax = 150...200С. Минимальная температура Tmin = 60...70С.

Допустимая мощность рассеяния на коллекторе PКmax. Для предотвращения нагрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделенная в нем при прохождении коллекторного тока, не превышала PКmax. По величине PКmax транзисторы можно условно разделить на следующие группы:

малой мощности (PКmax 0,3 Вт); средней мощности (0,3 PКmax 1,5 Вт); большой мощности (PКmax 1,5 Вт).Максимально допустимый ток коллектора IКmax. Значение этого

параметра ограничивается разогревом транзистора до предельно допустимой температуры Tmax и допустимым снижением коэффициента усиления .

11

Максимально допустимое напряжение UКЭmax в схеме с общим эмиттером или максимально допустимое напряжение коллектор база U КБmax в схеме с общей базой. Превышение данных напряжений может вызвать электрический пробой закрытого перехода транзистора при его работе.

Рассмотренные выше предельные параметры обусловливают область безопасной работы транзисторов в семействе его выходных характеристик (рис. 7).

Граничная частота fгр максимальная частота электрического сигнала. Если частота усиливаемого сигнала превышает fгр, происходит резкое снижение коэффициента усиления. При fгр коэффициент передачи тока h21Э становится равным единице.

По величине fгр транзисторы можно условно разделить на: низкочастотные транзисторы fгр 3 МГц; среднечастотные транзисторы 3 МГц fгр 30 МГц; высокочастотные транзисторы fгр 300 МГц.

Рис. 7

Важной характеристикой транзистора, оценивающей качество его работы на высоких частотах сигнала, является емкость коллекторного перехода СК.

Диапазоны значений параметров отечественных биполярных транзисторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

UКЭmax

ВPКmax

ВтIКmax,

Аfгр,

МГцСК,пФ

h11Э,Ом

h21Э, h22Э,Ом

12

101000 0,160 0,0112 0,05300 11000 101000 20200 10-310-7

Биполярные транзисторы нашли самое широкое применение в схемах усилителей электрических сигналов, в ключевых и логических схемах.

1.2. Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый прибор, в котором электрическое поле управляет величиной тока канала. Поле возникает при приложении напряжения между затвором и истоком.

В полевом транзисторе ток определяется движением носителей заряда одного знака (электроны или дырки), поэтому полевые транзисторы называются также униполярными.

Можно провести аналогию между полевыми и биполярными транзисторами: эмиттер сток, коллектор исток, база затвор.

Канал центральная область транзистора, по которой проходит управляемый ток. Сопротивление канала зависит от потенциала на одном из выводов полевого транзистора, который называется затво-ром (З).

Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком (И). Электрод, через который основные носители заряда уходят из канала, называют стоком (С).

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами p- и n-типов. Кроме этого полевые транзисторы подразделяются по типу затворов: с затвором в виде p-n-перехода и с изолированным затвором.

Условные изображения полевых транзисторов различных типов приведены в табл. 2.

Таблица 2

13

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

В приборе этого типа проводимостью канала управляют, подавая напряжение на закрытый p-n-переход. Структура и схема включения полевого транзистора с каналом n-типа и затвором в виде p-n-перехода приведена на рис. 8.

В транзисторе с каналом n-типа основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока IС.

14

Рис. 8:

1, 2 области канала и затвора соответственно; 3, 4, 5 выводы истока, стокаи затвора соответственно

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода. При подаче запирающего напряжения на p-n-переход между затвором и каналом на границах канала возникают запорные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению проводящего сечения канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком, вызывает появление неравномерного запорного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока (рис. 9).

Рис. 9:

I n-область; II p-область; III обедненный носителями заряда слой

Если одновременно подать напряжение UСИ 0 и UЗИ 0, то толщина запорного слоя, а следовательно, и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. При этом минимальное сечение канала будет определяться их суммой

UСИ + UЗИ = Uзап

Когда суммарное напряжение достигнет напряжения запирания Uзап, запорные слои сомкнуться (рис. 10) и сопротивление канала резко возрастет.

15

Рис. 10

Вольт-амперная характеристика полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода

Зависимость тока стока IC от напряжения UCИ при постоянном напряжении на затворе UЗИ определяет выходные, или стоковые характеристики полевого транзистора (рис. 11).

Рис. 11

На начальном участке характеристика UСИ + /UЗИ/ Uзап и ток стока IС

возрастает с повышением напряжения UСИ. При повышении напряжения стокисток до значения UСИ = Uзап UЗИ происходит смыкание канала и рост тока стока IС прекращается (участок насыщения).

Дальнейшее повышение напряжения приводит к пробою p-n-перехода и выходу транзистора из строя.

По выходным характеристикам полевого транзистора может быть построена его переходная характеристика IС = f (UЗИ) (рис. 12).

16

Входную характеристику полевого транзистора, зависимость тока утечки затвора IЗ от напряжение затвористок, обычно не используют, так как при UЗИ 0 ток затвора очень мал (IЗ = 10-8...10-9А) и можно пренебречь.

1.2.2. Полевой транзистор с изолированным затвором

В этих приборах для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора IЗ

между металлическим затвором и каналом находится слой диэлектрика, обычно окись кремния, а p-n-переход отсутствует (рис.13)

Рис. 13

Такие полевые транзисторы часто называют МОП-транзис-торами (структураокиселполупроводник) или МДП-транзисторами (структура металлдиэлектрикполупроводник).

Управление током канала осуществляется в этом приборе электрическим полем при подаче потенциала на затвор. Толщина и поперечное сечение канала будут меняться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет меняться и ток стока.

17

Основные параметры полевых транзисторов

Основными параметрами полевых транзисторов, используемых для анализа транзисторных схем, является крутизна переходной характеристики

S = dIC/dUЗИ IC/UЗИ при UCИ = const

и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения.

В качестве предельно допустимых параметров нормируются: максимально допустимые напряжения UСИmax и UЗИmax; максимально допустимая мощность стока РCmax ; максимально допустимый ток стока ICmax

(см. рис. 11).Параметры полевых транзисторов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Тип S,мА/В

RC,МОм

UCИmax,В

РCmax,Вт

IСmax,мА

IЗ,А

С затворомв видеp-перехода

120 0,10,5 5100 0,110 10100 10-810-9

С изолиро-ваннымзатвором

0,550 0,10,5 51000 0,0150 0,15000 10-1010-15

Межэлектродные емкости полевых транзисторов лежат в пределах 1...20 пФ.

Полевые транзисторы с коротким каналом могут работать на частотах до 100 МГц.

Полевые транзисторы применяют в усилительных каскадах с высоким входным сопротивлением, так как IЗ очень мал, для усиления очень слабых сигналов, кроме этого они нашли широкое применение в ключевых и логических схемах.

2. ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Чаще всего тиристор используется в качестве управляемого ключа.

18

2.1. Двухэлектродные тиристоры (динисторы)

Двухэлектродный тиристор (динистор) это тиристор, имеющий два внешних вывода. Условное графическое изображение динистора приведено на рис. 14, а.

Структура динистора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 14, б). Внешнее (прямое) напряжение подается на этот прибор минусом на крайнюю область с электропроводностью n-типа (на катодный электрод) и плюсом на крайнюю область с электропроводностью p-типа (анодный электрод). При этом электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются открытыми, а переход П2 закрытым. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал (тиристор закрыт).

Рис. 14:

а условное графическое изображение динистора; б структура динистора.1, 2 выводы анода и катода соответственно

При повышении напряжения ток тиристора увеличивается незначительно, пока напряжение Uпр не приблизится к значению, равному Uвкл (рис. 15).

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда в p-n-переходе П2. При этом ток в переходе П2 быстро нарастает, так как электроны из слоя n2 и дырки из слоя p1 устремляются в слои р2 и n1 и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе R возрастает, а напряжение на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения 0,51В. При дальнейшем увеличении э.д.с. источника Е ток в тиристоре нарастает в соответствии с вертикальным участком вольт-амперной характеристики (см. рис. 15). Этот

19

участок вольт-амперной характеристики аналогичен прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода (тиристор открыт).

Рис. 15

Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях: выключенном (или закрытом), которое характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и прохождением малых токов через него, т.е. большим сопротивлением, и включенном (или открытом), которое характеризуется малым падением напряжения на тиристоре и прохождением больших токов через него, т.е. малым сопротивлением.

Пробой перехода П2 не вызывает его разрушения. При уменьшении тока до величины тока удержания Iуд высокое сопротивление перехода восстанавливается. Время восстановления сопротивления перехода П2

после снятия питающего напряжения обычно составляет 1030 мкс. Перевод динистора в закрытое состояние обычно достигается приложением к прибору обратного напряжения. В этом случае переходы П1 и П3

окажутся смещенными в обратном направлении (т.е. закроются) и ток через прибор резко уменьшится. При увеличении обратного напряжения более некоторого максимального значения Uобр max наступает пробой переходов П1 и П2. Ток через динистор резко возрастает. Однако напряжение Uобр max почти в два раза больше, чем напряжение включения Uвкл. Это происходит потому, что при обратном подключении два закрытых

20

перехода П1 и П2 включены последовательно и приложенное к прибору напряжение делится между ними приблизительно поровну.

2.2. Трехэлектродные тиристоры (тринисторы)

Трехэлектродный тиристор (тринистор) это тиристор, имеющий три внешних вывода. Это самый распространенный тип тиристоров. Условное графическое изображение и структура тринистора приведены на рис. 16.

ис. 16:

а условное графическое изображение тиристора; б структура тиристора.1, 2, 3 выводы анода, катода и управляющего электрода соответственно

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики однооперационного тиристора приведена на рис. 17. Обратная ветвь характеристики такая же, как и динистора.

21

Рис. 17

В триодном тиристоре напряжение Uвкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока Iпр, может быть уменьшено и сведено практически до нуля путем введения неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Введение неосновных носителей осуществляется через управляющий электрод посредством управляющего тока Iу. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации атомов в переходе, в связи с чем напряжение включения Uвкл

уменьшается.Перевод тринистора из закрытого состояния в открытое

осуществляется обычно подачей импульса тока соответствующей полярности в управляющий электрод. После прекращения действия управляющего импульса тринистор остается в открытом состоянии.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо изменить напряжение питания на обратное “+” к катоду и ““ к аноду). Существуют двухоперационные тиристоры, в которых восстановление высокого сопротивления возможно и при подаче небольшого обратного напряжения на управляющий электрод.

2.3. Симметричные тиристоры (симисторы)

Симметричный тиристор (симистор) это тиристор, имеющий практически одинаковые вольт-амперные характеристики при различных полярностях приложенного напряжения.

Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или благодаря применению специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами.

Условное графическое обозначение и структура симметричного триодного тиристора представлены на рис. 18.

22

Рис. 18:

а условное графическое изображение симистора; б структура симистора

Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 19.

Рис. 19

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 2000 А и напряжение включения Uвкл 4000 В.

Тиристоры, как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

23

3. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектронным прибором называется преобразователь лучистой энергии в электрическую. Под лучистой энергией понимают энергию электромагнитного излучения широкого диапазона частот.

Работа фотоэлектронных приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различаются два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект возбуждение электронов вещества, переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.

Внутренний фотоэффект может происходить в виде изменения электрической проводимости в полупроводниках или создания э.д.с.

Внешний фотоэффект это фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы вещества под действием излучений.

3.1. Фоторезисторы

Фоторезисторы называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения.

Условное обозначение прибора показано на рис. 20, а. Устройство фоторезистора представлено на рис. 20, б.

Рис. 20:

а условное графическое изображение фоторезистора; б структура фоторезистора.1 пленка из полупроводникового материала; 2 подложка из непроводящего материала

Пластинка или пленка полупроводникового материала 1 закреплена на подложке 2 из непроводящего материаластекла керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через специальное отверстие (окно) в корпусе.

24

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Еа (рис. 21), то в электрической цепи потечет ток Iф называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

Рис. 21

При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называется световым током, или фототоком.

К основным характеристикам фоторезистора следует отнести энергетическую характеристику зависимость фототока Iф от потока излучения Ф, который измеряется в люменах (рис. 22), вольт-амперную характеристику зависимость фототока Iф от приложенного напряжения U, при постоянном значении освещенности (рис. 23).

Рис. 22

25

Рис. 24

На величину фототока Iф оказывает влияние также спектральный состав светового потока. Зависимость относительной величины фототока от длины волны излучения при постоянном световом потоке называется спектральной характеристикой. Ее вид определяется свойствами полупроводникового материала, из которого изготовили фоторезистор. Максимум в спектральной характеристике может быть получен при различных значениях длин волн. На рис. 24 приведена спектральная характеристика фоторезистора, изготовленного из сульфида кадмия.

Основные параметры фоторезисторов

Чувствительность

SL = I ф

Ф.

Чувствительность фоторезисторов достигает 20 А/лм.Темновое сопротивление Rт, т.е. сопротивление неосвещенного

фоторезистора.Для различных типов фотосопротивления значение Rт лежит в

пределах 102...1010 Ом.Пороговый поток Фп минимальный поток излучения,

вызывающий изменение тока.Наименьшим пороговым потоком обладают селено-кадмиевые

фоторезисторы (10-11 лм).

26

3.2. Фотодиоды

Фотодиоды полупроводниковые фотоэлектронные приборы с внутренним фотоэффектом, имеющие один электронно-дырочный переход и два вывода, анод и катод. Условное изображение фотодиода приведено на рис. 25.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: без внешнего источника питания (режим фотогенератора); с внешним источником питания (режим фотопреобразователя).В режиме фотогенератора при падении светового потока на

фотодиод фотоны, проходя в толщину полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в диоде в обеих областях p и n увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), т.е. дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов p-n-перехода неосновные носители заряда n-области дырки переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области электроны в n-область. Таким образом, в n-области появляется избыточное число электронов, а в p-области избыточное число дырок. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода разности потенциалов, называемой фото-э.д.с. Предельно возможная величина фото-э.д.с. составляет десятые доли вольта.

Если включить освещенный фотодиод в электрическую цепь (рис. 26), то в цепи потечет электрический ток, значение которого зависит от фото-э.д.с. и сопротивления резистора Rн.

Напряжение холостого хода, т.е. фото-э.д.с., связано со световым потоком логарифмической зависимостью. При больших световых потоках наступает насыщение и рост фото-э.д.с. прекращается. Фотодиоды в режиме фотогенератора применяют в качестве источников питания,

27

преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей.

Вольт-амперная характеристика неосвещенного диода такая же, как у обычного выпрямительного диода (рис. 27, кривая 1).

При освещении фотодиода существенно изменится обратная ветвь вольт-амперной характеристики (кривая 2). Отрезок Об фотодиода (I = 0), т.е. фото-э.д.с., а отрезок Оа току короткого замыкания (U = 0). Участок аб характеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора. Вольт-амперные характеристики фотодиода в этом режиме при разных значениях светового потока (Ф1, Ф2, Ф3) изображены на рис. 28. При наличии резистора Rн во внешней цепи фотодиода величины тока и напряжения могут быть определены графически по точкам пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и резистора.

Рис. 27:

1 вольт-амперная характеристика неосвещенного фотодиода; 2 вольт-амперная характеристика освещенного фотодиода

Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении (участок аб, см. рис. 27).

Вольт-амперные характеристики фотодиода в режиме фотопреобразователя при различных значениях светового потока представлены на рис. 29. Они аналогичны коллекторным характеристикам транзистора, включенного по схеме с общей базой только параметром является не ток эмиттера, а световой поток фотодиода. При наличии нагрузочного резистора Rн, включенного последовательно с источником

28

э.д.с. значения тока I и напряжения U (рис. 30) можно определить, пост-роив линию нагрузки, соответствующую сопротивлению резистора Rн.

Уравнение линии нагрузки может быть получено из второго закона Кирхгофа для контура (см. рис. 30)

E = U + I Rн.

Линия нагрузки строится по двум точкам.Точка А:

I = 0, E = U.Точка В:

U = 0, I = E/Rн.Чувствительность фотодиода, работающего в режиме

фотогенератора, измеряют при коротком замыкании (Rн = 0)

S = Iф /Ф = Iиз/Ф.

В режиме фотопреобразователя ток практически равен току короткого замыкания, поэтому чувствительность фотодиода по току в обоих режимах принято считать одинаковой. Чувствительность фотодиодов составляет: селеновых 0,10,75 мА/лм, кремниевых 3 мА/лм, германиевых до 20 мА/лм.

Темновой ток фотодиодов так же, как и у фоторезисторов, ограничивает минимальную величину измеренного светового потока. У германиевых этот ток равен 1030 мкА, кремниевых 13 мА.

Спектральные характеристики у фотодиодов имеют такой же вид, как и у фоторезисторов.

29

3.3. Фототранзисторы

Фототранзистор полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n-переходами. Чаще всего фототранзистор изготавливается как обычный транзистор из германия или кремния, но лишь с двумя выводами коллекторным и эмиттерным. Устройство, услов- ное обозначение и схема включения фототранзистора приведены на рис. 31, а, б, в.

Рис. 31:

а устройство фототранзистора; б условное обозначение; в схема включения фототранзистора

Под действием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда электроны и дырки. В фототранзисторе типа p-n-p неосновные носители заряда в базе (дырки) движутся через коллекторный переход, поле которого является для них ускоряющим, создавая на коллекторе фототок Iф. Электроны, остающиеся в базе, воздействуют на эмиттерный переход, уменьшая высоту потенциального барьера, что способствует

30

переходу дырок из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая усиление фототока. Чувствительность фототранзистора значительно выше чувствительности фотодиода и составляет 0,51,0 мА/лм.

На рис. 32 приведены вольт-ам-перные характеристики фототранзистора при различных световых потоках Ф, подающих на фототранзистор.

Фототранзисторы имеют такие же спектральные характеристики, как выполненные из одинаковых материалов фоторезисторы и фотодиоды.

3.4. Фототиристоры

Условное изображение фототиристора приведено на рис. 33, а.В фототиристоре управление напряжением включения производится

не подачей тока в управляющий электрод, как в обычных тиристорах, а путем освещения через специальное отверстие области р2 прибора (рис. 33, б).

31

Рис. 33:

а условное графическое изображение фототиристора; б схема включения фототиристора

Фотоны света генерируют пары носителей заряда, тем самым снижается напряжение пробоя электронно-дырочного перехода П2, включенного в обратном направлении.

Вольт-амперные характеристики фототиристора при различных световых потоках Ф имеют вид, изображенный на рис. 34.

Характеристикой управления фототиристора называется зависимость напряжения включения Uвкл светового потока Ф (рис. 35).

3.5. Светодиоды

Полупроводниковый светодиод это излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочными переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения.

Условное изображение светодиода и схема включения светодиода приведены на рис. 36, а, б. Резистор R служит для ограничения прямого тока через светодиод.

32

Рис. 36:

а условное графическое изображение светодиода; б схема включения светодиода

Принцип действия светодиода основан на том, что при переходе возбужденного электрона на более низкий энергетический уровень и рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок), происходит выделение энергии в виде квантов света. Если к полупроводниковому диоду приложено в прямом направлении и в диоде устанавливается прямой ток, то это сопровождается в области p-n-перехода интенсивной рекомбинацией носителей заряда, а следовательно, выделением лучистой энергии. Длина волны этого излучения зависит от ширины запрещенной зоны, т.е. от материала, из которого изготовлен полупроводниковый диод. Светодиоды чаще всего изготавливают из карбида кремния и фосфида галлия, излучающих кванты света в диапазоне от красного до голубого цвета.

Яркость свечения светодиода зависит от величины прямого тока и определяется структурой p-n-перехода.

3.6. Оптроны

Полупроводниковый оптрон это прибор, состоящий из оптически связанных между собой элементов оптронной пары (управляемого полупроводникового излучателя света и полупроводникового приемника излучения) и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических или оптических сигналов.

Оптроны нашли широкое применение в электронике в качестве элементов, предназначенных для гальванической развязки сигнальных цепей схемы. При этом сигнал с одной схемы на другую передается не электрическим током, а светом.

В качестве одного элемента оптронной пары излучателя света может быть использован светодиод, электролюминесцентный порошковый

33

или пленочный излучатель, а также полупроводниковый лазер. В качестве второго элемента оптронной пары приемника излучения может быть использован фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор. Наибольшее распространение получили следующие комбинации оптронных пар: светодиод фоторезистор и светодиод фототиристор.

Условное изображение оптрона с оптронной парой светодиод-фоторезистор приведено на рис. 37.

В случае, если в оптроне в качестве приемника излучения применяется не фоторезистор, а другой элемент, то соответственно он показывается на условном изображении вместо фоторезистора.

4. ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровые индикаторные приборы предназначены для визуального отображения цифровой и буквенной информации в измерительных приборах и вычислительных устройствах автоматики.

В настоящее время наибольшее распространение получили следующие типы цифровых индикаторов:

1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы и электронно-лучевые приборы.

2. Газоразрядные элементы индикации.3. Полупроводниковые светодиодные элементы индикации.4. Жидкокристаллические индикаторы.

4.1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы

Основными элементами вакуумно-люминесцентных индикаторов являются последовательно расположенные один за другим катод, сетка и несколько анодов. Накальный катод, выполненный в виде нити из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), служит источником эмиттируемых электронов.

Аноды размещены в одной плоскости и выполняются в виде знакосинтезирующих металлических сегментов, покрытых люминофором.

34

Каждый сегмент имеет определенный вывод, к которому прикладывается положительный потенциал относительно катода. Расположенная между катодом и анодом металлическая сетка предназначена для управления током индикатора. При положительном потенциале на сетке относительно катода поле сетки оказывает ускоряющее действие на электроны, эмиттируемые катодом. Проходя сквозь сетку, электроны попадают затем в поле тех анодов, к которым подано напряжение. Столкновение электронов с поверхностью анодов вызывает свечение люминофора (обычно зеленое). Сочетание светящихся сегментов создает изображение соответствующего знака. Индикация производится через поверхность стеклянного баллона со стороны катода. При потенциале на сетке, близком к нулю, проходящий через сетку поток электронов мал, в связи с чем свечение анодов отсутствует. Внешний вид, расположение сегментов и конфигурация воспроизводимых цифр индикатора ИВ-3 показаны на рис. 38.

Рис. 38:

а внешний вид индикатора ИВ-3; б расположение сегментов; в конфигурация воспроизводимых цифр

4.2. Газоразрядные элементы индикации

В газоразрядных приборах, предназначенных для отображения информации, используется свечение, сопровождающее электрический разряд в газе. Это явление одним из первых нашло применение для индикации. Газоразрядный индикатор представляет собой стеклянный баллон, наполненный инертным газом, внутри которого помещены анод и катоды (рис. 39). Число катодов равно числу цифр или индексов, которые отображает индикатор. Катоды расположены друг за другом. При

35

приложении соответствующего напряжения между анодом и катодом в индикаторе возникает тлеющий разряд, форма которого повторяет форму катода, к которому приложено напряжение

Рис. 39

.

4.3. Полупроводниковые элементы индикации

Полупроводниковые индикаторы строятся на основе светодиодов, которые выполнены в виде сегментов (рис. 40), как в вакуумно-люминесцентных приборах.

Число используемых светодиодов здесь равно количеству сегментов знакосинтезирующего символа. С целью преобразования свечений точечного источника, каким является светодиод, в свечение сегмента, сверху каждого светодиода наносят полоску из светорассеивающего материала. Катоды светодиодов объединяются вместе, а аноды имеют каждый свой вывод. При подключении напряжения между анодом и соответствующими катодами возникает свечение сегментов знакосинтезирующего табло.

4.4. Жидкокристаллические элементы индикации

Жидкокристаллическое состояние вещества является промежуточным между жидким и твердым состоянием. Вещество, находящееся в жидкокристаллическом состоянии, обладает свойствами и жидкости и кристаллического тела.

В жидких кристаллах (ЖК) наблюдается большое количество электрооптических эффектов, влияющих на светопропускную способность. Они могут вызываться либо проводимостью ЖК, либо электрическим полем (полевые эффекты).

Рис. 40

36

Простейший ЖК-индикатор, основанный на эффекте динамического рассеяния света (рис. 41), состоит из двух параллельных стеклянных пластин 1 с нанесенными на внутренней поверхности прозрачными электродами 2 из окиси олова и слоя жидкокристаллического вещест- ва 3 между ними.

При работе в режиме отражения света один из электродов выполняется зеркально отражающим (алюминий-никель). Толщина слоя жидкого кристалла составляет 125 мкм. Уплотнительные прокладки 4 изолируют объем и определяют зазор между пластинками. Проводящие электроды связаны с внешними выводами 5 прибора. Индикатор требует внешнего освещения или подсветки. В индикаторах с эффектом динамического рассеяния света в ЖК вносится добавка небольшого количества ионных соединений (электролита). При отсутствии напряжения ориентация молекул ЖК упорядочена. В исходной ориентации молекул ЖК прозрачен. С приложением напряжения возникает движение ионов электролита в направлении электродов. Создается динамическая неустойчивость ориентации молекул ЖК. ЖК теряет прозрачность и цвет его становится молочно-белым. При снятии напряжения питания молекул ЖК возвращаются в исходное состояние ориентации, прозрачность слоя восстанавливается.

Потребляемый ток ЖК-индикатора лежит в пределах 5 25 мкА/см2, а мощность 50550 мкВт/см2.

Рис. 41:1 стеклянные пластины ЖК-индикатора;

2 прозрачные электроды; 3 слой жидкокристаллического вещества;

4 уплотнительные прокладки; 5 внешние выводы

37

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высш. шк., 1982. 420 с.

2. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехнических спец. вузов/ В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков; под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высш. шк., 1986. 336 с.

3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. М.: Высш. шк., 1981. 431 с.

4. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства. М.: Электроатомиздат, 1986. 712 с.

38

Содержание

1. ТРАНЗИСТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Биполярные транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Полевые транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода 1.2.2. Полевой транзистор с изолированным затвором. . .2. ТИРИСТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Двухэлектродные тиристоры (динисторы). . . . . . . . . . . . . . 2.2. Трехэлектродные тиристоры (тринисторы). . . . . . . . . . . . . 2.3. Симметричные тиристоры (симисторы). . . . . . . . . . . . . . . .3. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Фоторезисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Фотодиоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Фототранзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Фототиристоры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Светодиоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Оптроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4. ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы. . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Газоразрядные элементы индикации. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Полупроводниковые элементы индикации. . . . . . . . . . . . . 4.4. Жидкокристаллические элементы индикации. . . . . . . . . . .СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

339

10131415171819192224262727282829303031

39

Евстигнеев Анатолий НиколаевичКузьмина Татьяна Георгиевна

Новотельнова Анна Владимировна

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННЫХЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

ЧАСТЬ 2

Методические указания для самостоятельного изучения дисциплины

“Электротехника и электроника” для студентов всех специальностей

Редактор Т. Г. Смирнова Корректор Н. И. Михайлова___________________________________________________________________________

ЛР № 020414 от 12.02.97Подписано в печать .09.98. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетнаяПечать офсетная. Усл. печ. л. 2,09. Печ. л. 2,25. Уч. -изд. л. 1,88

Тираж 500 экз. Заказ № . С 20.____________________________________________________________________________

СПбГАХПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9ИПЦ СПбГАХПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

40