Полупроводниковые приборы — Введение

Широко видно, что расстояние ядра от электрона конкретного атома не равно. Обычно электроны вращаются по четко определенной орбите. Определенное количество электронов может удерживаться только внешней оболочкой или орбитой. На электрическую проводимость атома влияют главным образом электроны внешней оболочки. Эти электроны имеют большое отношение к электропроводности.

Проводники и изоляторы

Электрическая проводимость является результатом нерегулярного или неконтролируемого движения электронов. Эти движения заставляют определенные атомы быть хорошими электрическими проводниками . Материал с атомами такого типа имеет много свободных электронов на своей внешней оболочке или орбите.

Для сравнения, изолирующий материал имеет относительно небольшое количество свободных электронов. Следовательно, электроны внешней оболочки изоляторов стремятся прочно удерживать свое место и почти не пропускают через него ток. Следовательно, в изоляционном материале очень мала электрическая проводимость.

Полупроводники

Между проводниками и изоляторами существует третья классификация атомов (материалов), известная как полупроводники. Как правило, проводимость полупроводника лежит между проводимостью металлов и изоляторов. Однако при абсолютной нулевой температуре полупроводник также действует как идеальный изолятор.

Кремний и германий являются наиболее знакомыми полупроводниковыми элементами. Оксид меди, сульфид кадмия и арсенид галлия являются некоторыми другими полупроводниковыми соединениями, которые часто используются. Эти виды материалов обычно классифицируются как элементы типа IVB. Такие атомы имеют четыре валентных электрона. Если они могут отказаться от четырех валентных электронов, стабильность может быть достигнута. Это также может быть достигнуто путем принятия четырех электронов.

Стабильность атома

Концепция устойчивости атома является важным фактором в состоянии полупроводниковых материалов. Максимальное количество электронов в валентной зоне равно 8. Когда в валентной зоне ровно 8 электронов, можно сказать, что атом стабилен. В стабильном атоме связь валентных электронов очень жесткая. Эти типы атомов являются отличными изоляторами. В таких атомах свободные электроны недоступны для электропроводности.

Примерами стабилизированных элементов являются такие газы, как аргон, ксенон, неон и криптон. Из-за их свойства эти газы не могут быть смешаны с другим материалом и обычно известны как инертные газы .

Если число валентных электронов во внешней оболочке меньше 8, то атом называется нестабильным, то есть атомы, имеющие менее 8 валентных электронов, являются нестабильными. Они всегда пытаются одолжить или пожертвовать электроны от соседних атомов, чтобы стать стабильными. Атомы во внешней оболочке с 5, 6 или 7 валентными электронами стремятся заимствовать электроны у других атомов в поисках стабильности, в то время как атомы с одним, двумя или тремя валентными электронами имеют тенденцию отдавать эти электроны другим соседним атомам.

Атомные комбинации

Все, что имеет вес, имеет значение. Согласно теории атома, все вещество, будь то твердое вещество, жидкость или газ, состоит из атомов. Атом содержит центральную часть, называемую ядром, которая содержит нейтроны и протоны. Обычно протоны являются положительно заряженными частицами, а нейтроны — нейтрально заряженными частицами. Электроны, которые являются отрицательно заряженными частицами, расположены на орбитах вокруг ядра способом, подобным массиву планет вокруг Солнца. На следующем рисунке показан состав атома.

Найдено, что атомы разных элементов имеют разное количество протонов, нейтронов и электронов. Чтобы отличить один атом от другого или классифицировать различные атомы, число, которое указывает число протонов в ядре данного атома, присваивается атомам каждого идентифицированного элемента. Этот номер известен как атомный номер элемента. Атомные номера для некоторых элементов, которые связаны с изучением полупроводников, приведены в следующей таблице.

Элемент	Условное обозначение	Атомный номер
кремний	си	14
германий	Ge	32
мышьяк	Как	33
сурьма	Sb	51
Индий	В	49
галлий	Джорджия	31
бор	В	5

Обычно атом имеет одинаковое количество протонов и планетарных электронов, чтобы поддерживать его суммарный заряд на нуле. Атомы часто объединяются, чтобы сформировать стабилизированные молекулы или соединения через их доступные валентные электроны.

Процесс объединения свободных валентных электронов обычно называется связыванием . Ниже приведены различные виды связей, которые имеют место в комбинациях атомов.

• Ионная связь
• Ковалентная связь
• Металлическое соединение

Давайте теперь обсудим подробно об этих атомных связях.

Ионная связь

Каждый атом стремится к стабильности, когда атомы связываются вместе, образуя молекулы. Когда валентная зона содержит 8 электронов, она называется стабилизированным состоянием . Когда валентные электроны одного атома объединяются с электронами другого атома, чтобы стать стабильными, это называется ионной связью .

• Если атом имеет более 4 валентных электронов во внешней оболочке, он ищет дополнительные электроны. Такой атом часто называют акцептором .

• Если какой-либо атом содержит менее 4 валентных электронов во внешней оболочке, они пытаются выйти из этих электронов. Эти атомы известны как доноры .

Если атом имеет более 4 валентных электронов во внешней оболочке, он ищет дополнительные электроны. Такой атом часто называют акцептором .

Если какой-либо атом содержит менее 4 валентных электронов во внешней оболочке, они пытаются выйти из этих электронов. Эти атомы известны как доноры .

При ионной связи донорные и акцепторные атомы часто объединяются вместе, и комбинация становится стабилизированной. Поваренная соль является распространенным примером ионной связи.

Следующие рисунки иллюстрируют пример независимых атомов и ионной связи.

На приведенном выше рисунке видно, что атом натрия (Na) отдает свой 1 валентный электрон атому хлорида (Cl), который имеет 7 валентных электронов. Атом хлорида немедленно становится перебалансированным отрицательно, когда он получает дополнительный электрон, и это заставляет атом становиться отрицательным ионом. В то время как с другой стороны, атом натрия теряет свой валентный электрон, и тогда атом натрия становится положительным ионом. Как мы знаем, в отличие от притяжения зарядов, атомы натрия и хлорида связаны друг с другом электростатической силой.

Ковалентная связь

Когда валентные электроны соседних атомов делятся с другими атомами, происходит ковалентная связь. При ковалентной связи ионы не образуются. Это уникальное различие в ковалентной связи и ионной связи.

Когда атом содержит четыре валентных электрона во внешней оболочке, он может делить один электрон с четырьмя соседними атомами. Ковалентная сила устанавливается между двумя связывающими электронами. Эти электроны попеременно смещают орбиты между атомами. Эта ковалентная сила связывает отдельные атомы вместе. Иллюстрация ковалентной связи показана на следующих рисунках.

При таком расположении показаны только ядра и валентные электроны каждого атома. Электронная пара создается за счет того, что отдельные атомы связаны вместе. В этом случае, пять атомов необходимы для завершения связующего действия. Процесс склеивания расширяется во всех направлениях. Каждый атом теперь связан вместе в решетчатой ​​сети, и кристаллическая структура образована этой решетчатой ​​сетью.

Металлическое соединение

Третий тип соединения обычно имеет место в хороших электрических проводниках и называется металлическим соединением. При металлическом соединении между положительными ионами и электронами существует электростатическая сила. Например, валентная зона меди имеет один электрон в своей внешней оболочке. Этот электрон имеет тенденцию перемещаться вокруг материала между различными атомами.

Когда этот электрон покидает один атом, он мгновенно выходит на орбиту другого атома. Процесс повторяется без перерыва. Атом становится положительным ионом, когда электрон покидает его. Это случайный процесс . Это означает, что один электрон всегда связан с атомом. Это не означает, что электрон связан с одной конкретной орбитой. Это всегда роуминг на разных орбитах. Как следствие, все атомы, вероятно, разделяют все валентные электроны.

Электроны торчат в облаке, которое покрывает положительные ионы. Это парящее облако случайным образом связывает электроны с ионами. На следующем рисунке показан пример металлического соединения меди.

Проводимость в твердых материалах

Число электронов во внешнем кольце атома все еще является причиной разницы между проводниками и изоляторами. Как мы знаем, твердые материалы в основном используются в электрических устройствах для осуществления электронной проводимости. Эти материалы могут быть разделены на проводники, полупроводники и изоляторы.

Однако проводники, полупроводники и изоляторы дифференцированы по диаграммам уровней энергии. Количество энергии, необходимое, чтобы заставить электрон покинуть свою валентную зону и перейти в проводимость, будет учтено здесь. Диаграмма представляет собой совокупность всех атомов в материале. Диаграммы энергетических уровней изоляторов, полупроводников и проводников показаны на следующем рисунке.

Валентная группа

Нижняя часть — валентная зона . Он представляет уровни энергии, наиболее близкие к ядру атома, а уровни энергии в полосе валентности содержат правильное количество электронов, необходимое для уравновешивания положительного заряда ядра. Таким образом, эта полоса называется заполненной полосой .

В валентной зоне электроны тесно связаны с ядром. Двигаясь вверх на энергетическом уровне, электроны более легко связаны на каждом последующем уровне к ядру. Нелегко беспокоить электроны на энергетических уровнях ближе к ядру, поскольку их движение требует больших энергий, и каждая электронная орбита имеет отдельный энергетический уровень.

Зона проводимости

Верхняя или крайняя полоса на диаграмме называется зоной проводимости . Если у электрона есть энергетический уровень, который лежит в этой полосе, и он может свободно перемещаться в кристалле, то он проводит электрический ток.

В полупроводниковой электронике нас интересуют в основном валентная зона и зона проводимости. Ниже приведены некоторые основные сведения об этом —

• Валентная зона каждого атома показывает энергетические уровни валентных электронов во внешней оболочке.

• Определенное количество энергии должно быть добавлено к валентным электронам, чтобы заставить их войти в зону проводимости.

Валентная зона каждого атома показывает энергетические уровни валентных электронов во внешней оболочке.

Определенное количество энергии должно быть добавлено к валентным электронам, чтобы заставить их войти в зону проводимости.

Запретный разрыв

Валентная зона и зона проводимости разделены промежутком, где бы он ни находился, который называется запрещенной зоной. Чтобы преодолеть запрещенный промежуток, необходимо определенное количество энергии. Если этого недостаточно, электроны не выпускаются для проводимости. Электроны будут оставаться в валентной зоне, пока они не получат дополнительную энергию, чтобы пересечь запрещенную щель.

Состояние проводимости конкретного материала может указываться шириной запрещенного зазора. В атомной теории ширина щели выражается в электрон-вольтах (эВ). Вольт электрона определяется как количество энергии, полученной или потерянной, когда электрон подвергается разности потенциалов в 1 В. Атомы каждого элемента имеют разное значение уровня энергии, которое допускает проводимость.

Обратите внимание, что запрещенная область изолятора является относительно широкой. Чтобы заставить изолятор войти в проводимость, потребуется очень большое количество энергии. Например, тирит.

Если изоляторы работают при высоких температурах, повышенная тепловая энергия заставляет электроны валентной зоны перемещаться в зону проводимости.

Как видно из диаграммы энергетических зон, запрещенная зона полупроводника намного меньше, чем у изолятора. Например, кремнию необходимо набрать 0,7 эВ энергии, чтобы войти в зону проводимости. При комнатной температуре добавление тепловой энергии может быть достаточным, чтобы вызвать проводимость в полупроводнике. Эта особенность имеет большое значение в твердотельных электронных устройствах.

В случае проводника зона проводимости и валентная зона частично перекрывают друг друга. В некотором смысле, нет запрещенного разрыва. Следовательно, электроны валентной зоны способны высвобождаться, превращаясь в свободные электроны. Обычно при нормальной комнатной температуре в проводнике происходит небольшая электрическая проводимость.

Проводимость и мобильность

Как обсуждалось ранее, может быть один или несколько свободных электронов на атом, которые движутся полностью через внутреннюю часть металла под воздействием приложенного поля.

На следующем рисунке показано распределение заряда в металле. Это известно как электрон-газовое описание металла .

Область хеширования представляет собой ядро ​​с положительным зарядом. Синие точки представляют валентные электроны во внешней оболочке атома. По сути, эти электроны не принадлежат какому-либо конкретному атому, и в результате они потеряли свою индивидуальную идентичность и свободно перемещаются между атомами.

Когда электроны находятся в непрерывном движении, направление транспортировки меняется при каждом столкновении с тяжелыми ионами. Это основано на электронно-газовой теории металла. Среднее расстояние между столкновениями называется длиной свободного пробега . Электроны, проходящие через единичную область в металле в противоположном направлении в течение заданного времени, случайным образом обнуляют средний ток.

Типы полупроводников

При подаче напряжения на полупроводниковые устройства ток электронов течет к положительной стороне источника, а ток дырок течет к отрицательной стороне источника. Такая ситуация возникает только в полупроводниковом материале.

Кремний и германий являются наиболее распространенными полупроводниковыми материалами. Как правило, проводимость полупроводника лежит между проводимостью металлов и изоляторов.

Германий как полупроводник

Ниже приведены некоторые важные моменты о германии —

• На внешней орбите германия находятся четыре электрона. В связях атомы показаны только с их внешними электронами.

• Атомы германия будут разделять валентные электроны в ковалентной связи. Это показано на следующем рисунке. Германий — это те, которые связаны с ковалентной связью. Кристаллическая форма германия называется кристаллической решеткой. Этот тип структуры имеет атомы, расположенные таким образом, как показано на следующем рисунке.

• При таком расположении электроны находятся в очень стабильном состоянии и, таким образом, являются менее подходящими для связи с проводниками. В чистом виде германий является изолирующим материалом и называется внутренним полупроводником .

На внешней орбите германия находятся четыре электрона. В связях атомы показаны только с их внешними электронами.

Атомы германия будут разделять валентные электроны в ковалентной связи. Это показано на следующем рисунке. Германий — это те, которые связаны с ковалентной связью. Кристаллическая форма германия называется кристаллической решеткой. Этот тип структуры имеет атомы, расположенные таким образом, как показано на следующем рисунке.

При таком расположении электроны находятся в очень стабильном состоянии и, таким образом, являются менее подходящими для связи с проводниками. В чистом виде германий является изолирующим материалом и называется внутренним полупроводником .

На следующем рисунке показаны атомные структуры кремния и германия.

Кремний как полупроводник

Полупроводниковые приборы также используют кремний в производстве различных электронных компонентов. Атомная структура кремния и германия показана на рисунке выше. Структура кристаллической решетки кремния аналогична структуре германия.

Ниже приведены некоторые важные моменты, касающиеся кремния.

• Он имеет четыре электрона в своей внешней оболочке, такой как германий.

• В чистом виде он не используется в качестве полупроводникового устройства.

• Желаемое количество проводимости может быть получено путем сложения примесей.

• Добавление примесей должно осуществляться осторожно и в контролируемой среде.

• В зависимости от типа добавляемой примеси, она будет создавать избыток или дефицит электронов.

Он имеет четыре электрона в своей внешней оболочке, такой как германий.

В чистом виде он не используется в качестве полупроводникового устройства.

Желаемое количество проводимости может быть получено путем сложения примесей.

Добавление примесей должно осуществляться осторожно и в контролируемой среде.

В зависимости от типа добавляемой примеси, она будет создавать избыток или дефицит электронов.

На следующем рисунке показан собственный кристалл кремния.

Легирование в полупроводниках

Чистый кремний или германий редко используются в качестве полупроводников. Практически используемые полупроводники должны иметь контролируемое количество примесей, добавляемых к ним. Добавление примеси изменит способность проводника, и она действует как полупроводник. Процесс добавления примеси к собственному или чистому материалу называется легированием, а примесь называется легирующей добавкой . После легирования внутренний материал становится внешним материалом. Практически только после допинга эти материалы становятся пригодными для использования.

Когда примесь добавляется в кремний или германий без изменения кристаллической структуры, образуется материал N-типа. В некоторых атомах электроны имеют пять электронов в своей валентной зоне, такие как мышьяк (As) и сурьма (Sb). Легирование кремния ни одной из примесей не должно изменять кристаллическую структуру или процесс связывания. Дополнительный электрон примесного атома не участвует в ковалентной связи. Эти электроны свободно удерживаются вместе своими атомами-инициаторами. На следующем рисунке показано изменение кристалла кремния с добавлением примесного атома.

Влияние допинга на материал N-типа

Влияние легирования на материал N-типа заключается в следующем:

• При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.

• Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.

• Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.

• Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.

• Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.

• Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.

• Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.

• Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.

При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.

Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.

Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.

Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.

Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.

Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.

Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.

Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.

Обычно электроны считаются основными носителями тока в кристаллах этого типа, а дырки — меньшими носителями тока. Количество донорного материала, добавляемого в кремний, определяет количество основных носителей тока в его структуре.

Число электронов в кремнии N-типа во много раз больше, чем пары электрон-дырка собственного кремния. При комнатной температуре существует существенная разница в электропроводности этого материала. Есть многочисленные носители тока, чтобы принять участие в потоке тока. Поток тока достигается в основном электронами в этом типе материала. Следовательно, внешний материал становится хорошим электрическим проводником.

Влияние допинга на материал типа P

Влияние легирования на материал типа Р заключается в следующем:

• При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.

• Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.

• В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.

• Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.

• При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.

При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.

Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.

В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.

Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.

При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.

На следующем рисунке показано, как изменяется кристаллическая структура кремния при легировании акцепторным элементом — в данном случае индием. Часть материала P не заряжена положительно. Все его атомы в основном электрически нейтральны.

Однако в ковалентной структуре многих групп атомов есть дыры. Когда электрон движется и заполняет отверстие, отверстие становится пустым. Новая дыра создается в связанной группе, где ушел электрон. Движение дырок в действительности является результатом движения электронов. Материал P-типа вступит в проводимость только с приложенной энергией 0,05 эВ.

На рисунке выше показано, как будет реагировать кристалл P-типа при подключении к источнику напряжения. Обратите внимание, что число дырок больше, чем у электронов. При подаче напряжения электроны притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

Отверстия в некотором смысле движутся к отрицательной клемме аккумулятора. В этот момент электрон улавливается. Электрон немедленно заполняет дыру. Отверстие становится пустым. В то же время электрон вытягивается из материала положительным контактом батареи. Поэтому отверстия движутся к отрицательному концу из-за смещения электронов между различными связанными группами. С приложенной энергией поток отверстия непрерывен.

Полупроводниковые приборы — диоды перехода

Кристаллическая структура, изготовленная из P и N материалов, обычно называется переходным диодом . Обычно это устройство с двумя терминалами. Как показано на следующей схеме, одна клемма прикреплена к материалу P-типа, а другая — к материалу N-типа.

Общая точка соединения, где эти материалы связаны, называется соединением . Соединительный диод позволяет носителям тока течь в одном направлении и препятствовать течению тока в обратном направлении.

На следующем рисунке показана кристаллическая структура переходного диода. Посмотрите на расположение материалов типа P и N относительно места соединения. Структура кристалла непрерывна от одного конца до другого. Соединение действует только как разделительная точка, которая представляет конец одного материала и начало другого. Такая структура позволяет электронам полностью двигаться во всей структуре.

Следующая диаграмма показывает две части полупроводникового вещества до того, как они сформированы в PN-переход. Как указано, каждая часть материала имеет носителей тока большинства и миноритарных .

Количество символов-носителей, показанных в каждом материале, указывает на функцию меньшинства или большинства. Как мы знаем, электроны являются основными носителями в материале N-типа, а дырки являются миноритарными носителями. В материале типа P дырки являются основными носителями, а электроны находятся в меньшинстве.

Полупроводниковые приборы — зона истощения

Первоначально, когда формируется переходной диод, между носителями тока происходит уникальное взаимодействие. В материале типа N электроны легко перемещаются через соединение, чтобы заполнить отверстия в материале P. Этот акт обычно называют диффузией . Диффузия является результатом высокого накопления носителей в одном материале и более низкого скопления в другом.

Как правило, носители тока, которые находятся вблизи перехода, принимают участие только в процессе диффузии. Электроны, покидающие N-материал, вызывают образование положительных ионов на их месте. При входе в материал Р для заполнения отверстий эти электроны создают отрицательные ионы. В результате каждая сторона соединения содержит большое количество положительных и отрицательных ионов.

Область, где эти дырки и электроны становятся истощенными, обычно известна под термином область истощения. Это область, где не хватает большинства нынешних перевозчиков. Обычно область истощения развивается при формировании PN-перехода. На следующем рисунке показана область истощения переходного диода.

Полупроводниковые приборы — барьерный потенциал

Материал N-типа и P-типа считается электрически нейтральным до того, как они соединены вместе в общем соединении. Однако после объединения диффузия происходит мгновенно, когда электроны пересекают переход, чтобы заполнить дыры, вызывая появление отрицательных ионов в P-материале, это действие заставляет соседнюю область перехода принимать отрицательный заряд. Электроны, покидающие N-материал, заставляют его генерировать положительные ионы.

Весь этот процесс, в свою очередь, заставляет N сторону соединения принимать чистый положительный заряд. Это конкретное создание заряда имеет тенденцию отталкивать оставшиеся электроны и дырки от соединения. Это действие затрудняет диффузию других носителей заряда через соединение. В результате накапливается заряд или появляется барьерный потенциал на стыке.

Как показано на следующем рисунке. Результирующий барьерный потенциал имеет небольшую батарею, подключенную через PN переход. На данном рисунке соблюдайте полярность этого потенциального барьера относительно P и N материала. Это напряжение или потенциал будет существовать, когда кристалл не подключен к внешнему источнику энергии.

Барьерный потенциал германия составляет приблизительно 0,3 В, а кремния — 0,7 В. Эти значения не могут быть измерены напрямую, и они появляются в области пространственного заряда соединения. Для создания проводимости тока барьерный потенциал PN-перехода должен быть преодолен внешним источником напряжения.

Полупроводниковые приборы — смещение контактов

Термин смещение относится к приложению напряжения постоянного тока для установки определенных условий работы. Или когда внешний источник энергии подается на PN-переход, это называется напряжением смещения или просто смещением. Этот метод либо увеличивает, либо уменьшает барьерный потенциал соединения. В результате снижение барьерного потенциала заставляет носители тока возвращаться в область истощения. Следующие два условия смещения применяются к PN-переходам.

• Прямое смещение — внешнее напряжение добавляется с той же полярностью к потенциалу барьера, что вызывает увеличение ширины области истощения.

• Обратное смещение — PN-соединение смещено таким образом, что приложение внешнего напряжения предотвращает попадание носителей тока в область истощения.

Прямое смещение — внешнее напряжение добавляется с той же полярностью к потенциалу барьера, что вызывает увеличение ширины области истощения.

Обратное смещение — PN-соединение смещено таким образом, что приложение внешнего напряжения предотвращает попадание носителей тока в область истощения.

Прямое смещение

На следующем рисунке показан прямой смещенный диод PN-перехода с приложенным внешним напряжением. Вы можете видеть, что положительный вывод батареи подключен к материалу P, а отрицательный вывод батареи подключен к материалу N.

Ниже приведены наблюдения —

• Это напряжение смещения отталкивает большинство носителей тока каждого материала типа P и N. В результате большое количество дырок и электронов начинают появляться на стыке.

• На N-стороне соединения электроны движутся, чтобы нейтрализовать положительные ионы в области истощения.

• На материале P-стороны электроны вытягиваются из отрицательных ионов, что заставляет их снова стать нейтральными. Это означает, что прямое смещение разрушает область истощения и, следовательно, барьерный потенциал. Это означает, что, если PN-переход смещен в прямом направлении, он будет обеспечивать непрерывный ток.

Это напряжение смещения отталкивает большинство носителей тока каждого материала типа P и N. В результате большое количество дырок и электронов начинают появляться на стыке.

На N-стороне соединения электроны движутся, чтобы нейтрализовать положительные ионы в области истощения.

На материале P-стороны электроны вытягиваются из отрицательных ионов, что заставляет их снова стать нейтральными. Это означает, что прямое смещение разрушает область истощения и, следовательно, барьерный потенциал. Это означает, что, если PN-переход смещен в прямом направлении, он будет обеспечивать непрерывный ток.

На следующем рисунке показан поток носителей тока с прямым диодом. Постоянная подача электронов возможна благодаря внешнему источнику напряжения, подключенному к диоду. Поток и направление тока показаны большими стрелками за пределами диода на диаграмме. Обратите внимание, что поток электронов и ток относятся к одному и тому же.

Ниже приведены наблюдения —

• Предположим, что электроны протекают по проводу от отрицательной клеммы батареи к N-материалу. Войдя в этот материал, они сразу же попадают на перекресток.

• Аналогично, с другой стороны, равное количество электронов вытягивается со стороны P и возвращается на положительную клемму аккумулятора. Это действие создает новые дыры и заставляет их двигаться к соединению.

• Когда эти дыры и электроны достигают соединения, они объединяются и эффективно исчезают. В результате на внешних концах диода появляются новые дырки и электроны. Эти основные перевозчики создаются на постоянной основе. Это действие продолжается до тех пор, пока подается внешний источник напряжения.

• Когда диод смещен вперед, можно заметить, что электроны протекают через всю структуру диода. Это распространено в материале типа N, тогда как в материалах P отверстия являются движущимися носителями тока. Обратите внимание, что движение отверстия в одном направлении должно начинаться с движения электрона в противоположном направлении. Следовательно, общий поток тока представляет собой сложение дырок и электронов, протекающих через диод.

Предположим, что электроны протекают по проводу от отрицательной клеммы батареи к N-материалу. Войдя в этот материал, они сразу же попадают на перекресток.

Аналогично, с другой стороны, равное количество электронов вытягивается со стороны P и возвращается на положительную клемму аккумулятора. Это действие создает новые дыры и заставляет их двигаться к соединению.

Когда эти дыры и электроны достигают соединения, они объединяются и эффективно исчезают. В результате на внешних концах диода появляются новые дырки и электроны. Эти основные перевозчики создаются на постоянной основе. Это действие продолжается до тех пор, пока подается внешний источник напряжения.

Когда диод смещен вперед, можно заметить, что электроны протекают через всю структуру диода. Это распространено в материале типа N, тогда как в материалах P отверстия являются движущимися носителями тока. Обратите внимание, что движение отверстия в одном направлении должно начинаться с движения электрона в противоположном направлении. Следовательно, общий поток тока представляет собой сложение дырок и электронов, протекающих через диод.

Обратное смещение

На следующем рисунке показан обратный смещенный диод PN-соединения с приложенным внешним напряжением. Вы можете видеть, что положительный вывод батареи подключен к материалу N, а отрицательный вывод батареи подключен к материалу P. Обратите внимание, что при таком расположении полярность батареи должна противоречить полярности материала диода, так что разнородные заряды притягиваются. Следовательно, большинство носителей заряда каждого материала отводятся от соединения. Обратное смещение делает диод непроводящим.

На следующем рисунке показано расположение большинства несущих тока в диоде с обратным смещением.

Ниже приведены наблюдения —

• Из-за действия схемы электроны материала N притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

• Каждый электрон, который перемещает или покидает диод, вызывает появление положительного иона на своем месте. В результате это вызывает эквивалентное увеличение ширины области обеднения на N стороне соединения.

• Сторона P диода имеет аналогичный эффект, как сторона N. В этом действии несколько электронов покидают отрицательную клемму батареи и попадают в материал типа P.

• Эти электроны тут же движутся и заполняют ряд отверстий. Каждая занятая дыра становится отрицательным ионом. Эти ионы, в свою очередь, затем отталкиваются отрицательной клеммой аккумулятора и направляются в сторону соединения. Вследствие этого увеличивается ширина области истощения на стороне P соединения.

Из-за действия схемы электроны материала N притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

Каждый электрон, который перемещает или покидает диод, вызывает появление положительного иона на своем месте. В результате это вызывает эквивалентное увеличение ширины области обеднения на N стороне соединения.

Сторона P диода имеет аналогичный эффект, как сторона N. В этом действии несколько электронов покидают отрицательную клемму батареи и попадают в материал типа P.

Эти электроны тут же движутся и заполняют ряд отверстий. Каждая занятая дыра становится отрицательным ионом. Эти ионы, в свою очередь, затем отталкиваются отрицательной клеммой аккумулятора и направляются в сторону соединения. Вследствие этого увеличивается ширина области истощения на стороне P соединения.

Общая ширина области истощения напрямую зависит от внешнего источника напряжения диода с обратным смещением. В этом случае диод не может эффективно поддерживать прохождение тока через широкую область истощения. В результате потенциальный заряд начинает развиваться через переход и увеличивается, пока потенциал барьера не станет равным внешнему напряжению смещения. После этого диод ведет себя как непроводник.

Полупроводниковые приборы — ток утечки

Важным ограничением проводимости PN-диода является ток утечки . Когда диод смещен в обратном направлении, ширина области истощения увеличивается. Как правило, это условие требуется для ограничения накопления несущей тока вблизи развязки. Большинство носителей тока в основном нейтрализуются в области истощения, и, следовательно, область истощения действует как изолятор. Обычно носители тока не проходят через изолятор.

Видно, что в диоде с обратным смещением некоторый ток протекает через область истощения. Этот ток называется током утечки. Ток утечки зависит от несущих тока. Поскольку мы знаем, что неосновными носителями являются электроны в материале P-типа и дырки в материале N-типа.

На следующем рисунке показано, как носители тока реагируют, когда диод смещен в обратном направлении.

Ниже приведены наблюдения —

• Миноритарные носители каждого материала проталкиваются через зону истощения к месту соединения. Это действие вызывает очень маленький ток утечки. Как правило, ток утечки настолько мал, что его можно считать незначительным.

• Здесь, в случае тока утечки, температура играет важную роль. Незначительные носители тока в основном зависят от температуры.

• При комнатной температуре 25 ° C или 78 ° F в диоде с обратным смещением присутствует незначительное количество неосновных носителей.

• Когда окружающая температура повышается, это вызывает значительное увеличение образования неосновных носителей и, как следствие, вызывает соответствующее увеличение тока утечки.

Миноритарные носители каждого материала проталкиваются через зону истощения к месту соединения. Это действие вызывает очень маленький ток утечки. Как правило, ток утечки настолько мал, что его можно считать незначительным.

Здесь, в случае тока утечки, температура играет важную роль. Незначительные носители тока в основном зависят от температуры.

При комнатной температуре 25 ° C или 78 ° F в диоде с обратным смещением присутствует незначительное количество неосновных носителей.

Когда окружающая температура повышается, это вызывает значительное увеличение образования неосновных носителей и, как следствие, вызывает соответствующее увеличение тока утечки.

Во всех диодах с обратным смещением возникновение тока утечки в некоторой степени является нормальным. В германиевых и кремниевых диодах ток утечки составляет всего несколько микроампер и наноампер , соответственно. Германий гораздо более чувствителен к температуре, чем кремний. По этой причине в основном кремний используется в современных полупроводниковых приборах.

Диодные характеристики

Существуют различные текущие шкалы для операций прямого и обратного смещения. Передняя часть кривой показывает, что диод проводит просто, когда P-область становится положительной, а N-область отрицательной.

Диод почти не проводит ток в направлении высокого сопротивления, то есть когда прегион становится отрицательным, а N-область — положительным. Теперь дырки и электроны отводятся от соединения, что приводит к увеличению барьерного потенциала. Это условие обозначено частью кривой обратного тока.

Пунктирный участок кривой показывает идеальную кривую , которая получилась бы, если бы не было лавинного пробоя. На следующем рисунке показана статическая характеристика переходного диода.

ДИОД IV Характеристики

Характеристики прямого и обратного токового напряжения (IV) диода обычно сравниваются на одной характеристической кривой. Рисунок, изображенный в разделе «Прямая характеристика», показывает, что прямое напряжение и обратное напряжение обычно отображаются на горизонтальной линии графика.

Прямые и обратные значения тока показаны на вертикальной оси графика. Прямое напряжение отображается справа, а обратное напряжение слева. Точка начала или нулевого значения находится в центре графика. Прямой ток удлиняется над горизонтальной осью, а обратный ток распространяется вниз.

Объединенные значения прямого напряжения и прямого тока находятся в верхней правой части графика, а обратное напряжение и обратный ток — в левом нижнем углу. Различные шкалы обычно используются для отображения прямых и обратных значений.

Вперед Характеристика

Когда диод смещен в прямом направлении, он проводит ток (IF) в прямом направлении. Значение IF напрямую зависит от величины прямого напряжения. Соотношение прямого напряжения и прямого тока называется ампер-вольт или IV характеристикой диода. Типичная диодная прямая IV характеристика показана на следующем рисунке.

Ниже приведены наблюдения —

• Прямое напряжение измеряется через диод, а прямой ток — это мера тока через диод.

• Когда прямое напряжение на диоде равно 0 В, прямой ток (IF) равен 0 мА.

• Когда значение начинается с начальной точки (0) графика, если VF постепенно увеличивается с шагом 0,1 В, IF начинает расти.

• Когда значение VF достаточно велико для преодоления барьерного потенциала PN-перехода, происходит значительное увеличение IF. Точку, в которой это происходит, часто называют напряжением колена V _K. Для германиевых диодов V _K составляет приблизительно 0,3 В, а для кремния — 0,7 В.

• Если значение IF значительно превышает V _K , прямой ток становится довольно большим.

Прямое напряжение измеряется через диод, а прямой ток — это мера тока через диод.

Когда прямое напряжение на диоде равно 0 В, прямой ток (IF) равен 0 мА.

Когда значение начинается с начальной точки (0) графика, если VF постепенно увеличивается с шагом 0,1 В, IF начинает расти.

Когда значение VF достаточно велико для преодоления барьерного потенциала PN-перехода, происходит значительное увеличение IF. Точку, в которой это происходит, часто называют напряжением колена V _K. Для германиевых диодов V _K составляет приблизительно 0,3 В, а для кремния — 0,7 В.

Если значение IF значительно превышает V _K , прямой ток становится довольно большим.

Эта операция вызывает чрезмерное нагревание через переход и может разрушить диод. Чтобы избежать этой ситуации, защитный резистор соединен последовательно с диодом. Этот резистор ограничивает прямой ток до максимального номинального значения. Обычно резистор ограничения тока используется, когда диоды работают в прямом направлении.

Обратная характеристика

Когда диод смещен в обратном направлении, он проводит обратный ток, который обычно довольно мал. Типичная обратная IV характеристика диода показана на рисунке выше.

Вертикальная линия обратного тока на этом графике имеет значения тока, выраженные в микроамперах. Количество неосновных носителей тока, которые принимают участие в проведении обратного тока, довольно мало. В общем, это означает, что обратный ток остается постоянным в течение большей части обратного напряжения. Когда обратное напряжение диода увеличивается с самого начала, наблюдается очень небольшое изменение обратного тока. В точке напряжения пробоя (VBR) ток очень быстро увеличивается. В это время напряжение на диоде остается достаточно постоянным.

Эта характеристика постоянного напряжения приводит к ряду применений диода в условиях обратного смещения. Процессы, которые отвечают за проводимость тока в диоде с обратным смещением, называются пробой лавины и пробой стабилитрона .

Диод Технические характеристики

Как и любой другой выбор, выбор диода для конкретного применения должен быть рассмотрен. Производитель обычно предоставляет этот тип информации. Спецификации, такие как максимальные значения напряжения и тока, обычные условия эксплуатации, механические характеристики, идентификация проводов, процедуры монтажа и т. Д.

Ниже приведены некоторые важные характеристики.

• Максимальный прямой ток (IFM) — абсолютный максимальный повторяющийся прямой ток, который может проходить через диод.

• Максимальное обратное напряжение (VRM) — Абсолютное максимальное или пиковое напряжение обратного смещения, которое может быть приложено к диоду.

• Обратное напряжение пробоя (VBR) — минимальное установившееся обратное напряжение, при котором произойдет пробой.

• Максимальный прямой импульсный ток (IFM-импульс) — максимальный ток, допустимый в течение короткого интервала времени. Это текущее значение намного больше, чем IFM.

• Максимальный обратный ток (IR) — Абсолютный максимальный обратный ток, который допускается при рабочей температуре устройства.

• Прямое напряжение (VF) — максимальное падение прямого напряжения для данного прямого тока при рабочей температуре устройства.

• Рассеиваемая мощность (PD) — максимальная мощность, которую устройство может безопасно поглощать непрерывно в свободном воздухе при температуре 25 ° C.

• Обратное время восстановления (Trr) — максимальное время, которое требуется устройству для включения и выключения стат.

Максимальный прямой ток (IFM) — абсолютный максимальный повторяющийся прямой ток, который может проходить через диод.

Максимальное обратное напряжение (VRM) — Абсолютное максимальное или пиковое напряжение обратного смещения, которое может быть приложено к диоду.

Обратное напряжение пробоя (VBR) — минимальное установившееся обратное напряжение, при котором произойдет пробой.

Максимальный прямой импульсный ток (IFM-импульс) — максимальный ток, допустимый в течение короткого интервала времени. Это текущее значение намного больше, чем IFM.

Максимальный обратный ток (IR) — Абсолютный максимальный обратный ток, который допускается при рабочей температуре устройства.

Прямое напряжение (VF) — максимальное падение прямого напряжения для данного прямого тока при рабочей температуре устройства.

Рассеиваемая мощность (PD) — максимальная мощность, которую устройство может безопасно поглощать непрерывно в свободном воздухе при температуре 25 ° C.

Обратное время восстановления (Trr) — максимальное время, которое требуется устройству для включения и выключения стат.

Важные условия

• Напряжение пробоя — это минимальное напряжение обратного смещения, при котором PN-переход размыкается при внезапном увеличении обратного тока.

• Напряжение колена — это прямое напряжение, при котором ток через соединение начинает быстро увеличиваться.

• Пиковое обратное напряжение — это максимальное обратное напряжение, которое можно приложить к PN-соединению, не повреждая его.

• Maximum Forward Rating — максимальный мгновенный прямой ток, который может пройти PN-переход, не повредив его.

• Максимальная мощность — это максимальная мощность, которая может рассеиваться от соединения без повреждения соединения.

Напряжение пробоя — это минимальное напряжение обратного смещения, при котором PN-переход размыкается при внезапном увеличении обратного тока.

Напряжение колена — это прямое напряжение, при котором ток через соединение начинает быстро увеличиваться.

Пиковое обратное напряжение — это максимальное обратное напряжение, которое можно приложить к PN-соединению, не повреждая его.

Maximum Forward Rating — максимальный мгновенный прямой ток, который может пройти PN-переход, не повредив его.

Максимальная мощность — это максимальная мощность, которая может рассеиваться от соединения без повреждения соединения.

Светоизлучающий диод

Светодиоды прямо или косвенно влияют на нашу повседневную деятельность. От отображения сообщений до светодиодных телевизоров, везде эти светодиоды существуют. В основном это PN-диод, который излучает свет, когда через него пропускается прямой ток. На следующем рисунке показан логический символ светодиода.

Как диод PN-соединения излучает свет?

Светодиоды не сделаны из кремния или германия и таких элементов, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). Эти материалы сознательно используются, поскольку они излучают свет. Следовательно, когда светодиод смещен вперед, электроны, как обычно, пересекают переход и объединяются с отверстиями.

Это действие приводит к тому, что электроны области N-типа выпадают из проводимости и возвращаются в валентную зону. При этом энергия, которой обладает каждый свободный электрон, затем высвобождается. Часть высвобождаемой энергии превращается в тепло, а остальная часть — в энергию видимого света.

Если светодиоды изготовлены из кремния и германия, то при рекомбинации электронов вся энергия рассеивается только в виде тепла. С другой стороны, такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP), обладают достаточным количеством фотонов, достаточных для получения видимого света.

• Если светодиоды сделаны из арсенида галлия, они излучают красный свет.
• Если светодиоды изготовлены из фосфида галлия, то такие светодиоды излучают зеленый свет.

Теперь рассмотрим два светодиода, подключенных друг к другу через источник внешнего напряжения, так что анод одного светодиода подключен к катоду другого светодиода или наоборот. Когда на эту цепь подается внешнее напряжение, один светодиод будет работать одновременно, и из-за этого действия схемы он излучает другой свет, когда один светодиод смещен в прямом направлении, а другой — в обратном, или наоборот.

Преимущества светодиодов

Светодиоды предлагают следующие преимущества —

• Довольно маленький по размеру.
• Очень быстрое переключение.
• Может работать с очень низким напряжением.
• Очень долгая продолжительность жизни.
• Процедура строительства позволяет изготавливать различные формы и узоры.

Применение светодиодов

Светодиоды в основном используются в числовых дисплеях с номерами от 0 до 9. Они также используются в семисегментном дисплее, который можно найти в цифровых счетчиках, часах, калькуляторах и т. Д.

Полупроводниковые приборы — стабилитрон

Это определенный тип полупроводникового диода, который предназначен для работы в области обратного пробоя. На следующем рисунке изображена кристаллическая структура и символ стабилитрона. Он в основном похож на обычный диод. Однако небольшая модификация сделана, чтобы отличить его от символа обычного диода. Изогнутая линия обозначает букву «Z» стабилитрона.

Наиболее существенным отличием в стабилитронах и обычных диодных PN-переходах является режим, в котором они используются в цепях. Эти диоды обычно работают только в обратном направлении смещения, что означает, что анод должен быть подключен к отрицательной стороне источника напряжения, а катод — к положительному.

Если обычный диод используется так же, как стабилитрон, он будет разрушен из-за чрезмерного тока. Это свойство делает стабилитрон менее значимым.

На следующем рисунке показан регулятор с стабилитроном.

Стабилитрон подключается в обратном направлении смещения через нерегулируемый источник постоянного тока. Он сильно легирован, поэтому обратное пробивное напряжение снижается. Это приводит к очень тонкому истощающему слою. Благодаря этому стабилитрон имеет резкое обратное напряжение пробоя V _z .

В соответствии с действиями цепи, пробой происходит резко с внезапным увеличением тока, как показано на следующем рисунке.

Напряжение V _z остается постоянным при увеличении тока. Благодаря этому свойству, стабилитрон широко используется в регулировании напряжения. Он обеспечивает практически постоянное выходное напряжение независимо от изменения тока через стабилитрон. Таким образом, напряжение нагрузки остается на постоянном уровне.

Мы можем видеть, что при определенном обратном напряжении, известном как напряжение колена, ток резко увеличивается с постоянным напряжением. Благодаря этому свойству, стабилитроны широко используются при стабилизации напряжения.

Полупроводниковые приборы — фотодиод

Фотодиод представляет собой PN-диод, который проводит ток при воздействии света. Этот диод фактически предназначен для работы в режиме обратного смещения. Это означает, что чем больше интенсивность падающего света, тем больше будет ток обратного смещения.

На следующем рисунке показан схематический символ и конструктивные детали фотодиода.

Работа фотодиода

Это обратный диод . Обратный ток увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Это означает, что обратный ток прямо пропорционален интенсивности падающего света.

Он состоит из PN-переходника, установленного на подложку P-типа и запечатанного в металлический корпус. Точка соединения сделана из прозрачной линзы, и это окно, в которое свет должен падать.

Как мы знаем, когда диодный контакт PN смещен в обратном направлении, протекает очень небольшое количество обратного тока. Обратный ток генерируется термически электронно-дырочными парами в обедненной области диода.

Когда свет падает на соединение PN, он поглощается соединением. Это создаст больше электронно-дырочных пар. Или мы можем сказать, что характерно, величина обратного тока увеличивается.

Другими словами, когда интенсивность падающего света возрастает, сопротивление PN-переходного диода уменьшается.

• Это действие делает диод более проводящим.
• Эти диоды имеют очень быстрое время отклика
• Они используются в высоких вычислительных устройствах.
• Он также используется в цепях сигнализации, счетчиках и т. Д.

Полупроводниковые приборы — фотоэлектрические элементы

Основная фотоэлемент состоит из полупроводника n-типа и p-типа, образующих pn-переход. Верхняя область вытянута и прозрачна, как правило, на солнце. Эти диоды или элементы являются исключительными, которые генерируют напряжение при воздействии света. Клетки преобразуют энергию света непосредственно в электрическую энергию.

На следующем рисунке показан символ фотоэлектрической ячейки .

Работа фотоэлемента

Конструкция фотоэлектрического элемента аналогична конструкции диода с PN-переходом. При отсутствии света ток не проходит через устройство. В этом состоянии ячейка не сможет генерировать ток.

Важно правильно сместить ячейку, что требует достаточного количества света. Как только свет применяется, можно наблюдать замечательное состояние диода с PN-переходом. В результате электроны приобретают достаточную энергию и отрываются от родительских атомов. Эти вновь созданные электронно-дырочные пары в области обеднения пересекают переход.

В этом действии электроны перемещаются в материал N-типа из-за его нормальной концентрации положительных ионов. Точно так же отверстия проникают в материал P-типа из-за его отрицательного содержания. Это приводит к тому, что материал типа N мгновенно принимает отрицательный заряд, а материал P — положительный заряд. Затем PN-ответвление подает небольшое напряжение в качестве отклика.

Характеристики фотоэлектрической ячейки

На следующем рисунке слева показана одна из характеристик — график между обратным током (I _R ) и освещенностью (E) фотодиода. ИК измеряется по вертикальной оси, а освещенность измеряется по горизонтальной оси. График представляет собой прямую линию, проходящую через нулевую позицию.

т.е. я _р = мэ

m = график наклона прямой линии

Параметр m — это чувствительность диода.

На рисунке справа показана другая характеристика фотодиода, график между обратным током (I _R ) и обратным напряжением фотодиода. Из графика видно, что при заданном обратном напряжении обратный ток увеличивается с увеличением освещенности на PN-переходе.

Эти элементы обычно подают электроэнергию к нагрузочному устройству при подаче света. Если требуется большее напряжение, массив этих ячеек используется для обеспечения того же. По этой причине фотоэлектрические элементы используются в приложениях, где доступны высокие уровни световой энергии.

Полупроводниковые приборы — Varactor Diode

Это специальный PN-диод с непостоянной концентрацией примесей в материалах PN. В обычном диодном переходном PN легирующие примеси обычно равномерно распределены по всему материалу. Варакторный диод, легированный очень небольшим количеством примесей вблизи соединения, и концентрация примесей увеличивается при удалении от соединения.

В обычном соединительном диоде область обеднения представляет собой область, которая разделяет P и N материал. Область истощения развивается в начале, когда соединение первоначально формируется. В этой области нет носителей тока, и поэтому область обеднения действует как диэлектрическая среда или изолятор.

Материал P-типа с отверстиями в качестве основных носителей и материал N-типа с электронами в качестве основных носителей теперь действуют как заряженные пластины. Таким образом, диод можно рассматривать как конденсатор с противоположно заряженными пластинами N- и P-типа, а область обеднения действует как диэлектрик. Как известно, материалы P и N, будучи полупроводниками, разделены изолятором обедненной области.

Диоды, которые предназначены для реагирования на эффект емкостного сопротивления при обратном смещении, называются варакторами, варикапными диодами или конденсаторами с переменным напряжением .

На следующем рисунке показан символ Varactor диода.

Варакторные диоды обычно работают в режиме обратного смещения. Когда обратное смещение увеличивается, ширина области истощения также увеличивается, что приводит к меньшей емкости. Это означает, что когда обратное смещение уменьшается, можно увидеть соответствующее увеличение емкости. Таким образом, емкость диода изменяется обратно пропорционально напряжению смещения. Обычно это не линейно. Он работает между нулевым и обратным напряжением пробоя.

Емкость Varactor диода выражается как —

$$C_T = E \ frac {A} {W_d}$$

• C _T = общая емкость соединения

• E = диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала

• A = площадь поперечного сечения стыка

• W _d = ширина обедненного слоя

C _T = общая емкость соединения

E = диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала

A = площадь поперечного сечения стыка

W _d = ширина обедненного слоя

Эти диоды переменно используются в микроволновых приложениях. Варакторные диоды также используются в резонансных цепях, где требуется некоторый уровень настройки напряжения или регулирования частоты. Этот диод также используется для автоматического управления частотой (АЧХ) в FM-радио и телевизионных приемниках.

Полупроводниковые приборы — биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы в основном состоят из двух слоев полупроводникового материала противоположного типа, соединенных друг с другом. Тип примеси, добавляемой в кремний или германий, определяет полярность при ее образовании.

NPN Транзистор

NPN-транзистор состоит из двух материалов N-типа, разделенных тонким слоем полупроводникового материала P-типа. Кристаллическая структура и условное обозначение NPN-транзистора показаны на рисунке выше.

Из каждого типа материала извлекаются три провода, которые определяются как излучатель, основание и коллектор . В символе, когда стрелка излучателя направлена ​​наружу от основания, это указывает на то, что устройство относится к типу NPN.

PNP Транзистор

Транзистор PNP состоит из двух материалов P-типа, разделенных тонким слоем полупроводникового материала N-типа. Кристаллическая структура и условное обозначение транзистора PNP показаны ниже.

В символе, когда стрелка излучателя направлена ​​внутрь к основанию, это указывает на то, что устройство относится к типу PNP.

Строительство Транзистора

Ниже приведены некоторые технологии изготовления транзистора.

Тип диффузии

В этом методе пластина полупроводника подвергается некоторой газовой диффузии примесей как N-типа, так и P-типа с образованием переходов эмиттера и коллектора. Сначала определяется соединение коллектор-база и фототравление непосредственно перед диффузией основания. Позднее излучатель рассеивается на основании. Транзисторы, изготовленные по этой технологии, имеют лучшую шумовую характеристику, и также наблюдается улучшение усиления по току.

Выращенный тип

Он формируется путем вытягивания монокристалла из расплавленного кремния или германия. Требуемая концентрация примесей добавляется во время операции вытягивания кристалла.

Эпитаксиальный тип

Очень высокочистый и тонкий монокристаллический слой кремния или германия выращивается на сильно легированной подложке того же типа. Этот улучшенный вариант кристалла образует коллектор, на котором образуются эмиттер и основания.

Тип сплава

В этом методе базовый участок изготавливается из тонкого среза материала типа N. На противоположных сторонах среза прикреплены две маленькие точки индия, и полное образование поддерживается при высокой температуре в течение более короткого времени. Температура будет выше температуры плавления индия и ниже германия. Эта техника также известна как сплавленная конструкция.

Тип электрохимического травления

В этом методе на противоположных сторонах полупроводниковой пластины вытравливают углубление, чтобы уменьшить ширину базовой области. Затем подходящий металл наносят гальваническим способом в область углублений для образования соединений эмиттера и коллектора.

Полупроводниковые приборы — транзистор смещения

Транзисторы имеют три секции, а именно: эмиттер , основание и коллектор .

• Основание намного тоньше излучателя, а коллектор сравнительно шире, чем оба.

• Излучатель сильно легирован, так что он может вводить большое количество носителей заряда для проводимости тока.

• Основание пропускает большую часть носителей заряда в коллектор, так как он сравнительно слегка легирован, чем эмиттер и коллектор.

Основание намного тоньше излучателя, а коллектор сравнительно шире, чем оба.

Излучатель сильно легирован, так что он может вводить большое количество носителей заряда для проводимости тока.

Основание пропускает большую часть носителей заряда в коллектор, так как он сравнительно слегка легирован, чем эмиттер и коллектор.

Для правильного функционирования транзистора область эмиттера должна быть смещена в прямом направлении, а область коллектора должна быть смещена в обратном направлении.

В полупроводниковых цепях напряжение источника называется напряжением смещения. Чтобы функционировать, биполярные транзисторы должны иметь оба смещения. Это условие заставляет ток течь через цепь. Область истощения устройства уменьшается, и большинство несущих тока вводятся в направлении соединения. Один из переходов транзистора должен иметь прямое смещение, а другой должен быть обратным смещением, когда он работает.

Работа NPN Транзистора

Как показано на приведенном выше рисунке, соединение эмиттер-основание смещено вперед, а соединение коллектор-основание смещено обратно. Прямое смещение на эмиттере к основному соединению заставляет электроны течь от эмиттера N-типа к смещению. Это условие формулирует ток эмиттера (I _E ).

Пересекая материал P-типа, электроны имеют тенденцию соединяться с отверстиями, как правило, очень мало, и составляют базовый ток (I _B ). Остальные электроны пересекают тонкую область обеднения и достигают области коллектора. Этот ток составляет ток коллектора (I _C ).

Другими словами, ток эмиттера фактически протекает через коллекторную цепь. Следовательно, можно считать, что ток эмиттера является суммой базы и тока коллектора. Это может быть выражено как,

I _E = I _B + I _C

Работа PNP Транзистора

Как показано на следующем рисунке, переход от эмиттера к основанию смещен в прямом направлении, а переход от коллектора к основанию смещен в обратном направлении. Прямое смещение на эмиттере к основному соединению заставляет отверстия течь от эмиттера P-типа к смещению. Это условие формулирует ток эмиттера (I _E ).

Пересекая материал N-типа, электроны имеют тенденцию соединяться с электронами, как правило, очень мало, и составляют базовый ток (I _B ). Остальные отверстия пересекают тонкую область истощения и достигают области коллектора. Этот ток составляет ток коллектора (I _C ).

Другими словами, ток эмиттера фактически протекает через коллекторную цепь. Следовательно, можно считать, что ток эмиттера является суммой базы и тока коллектора. Это может быть выражено как,

I _E = I _B + I _C

Конфигурация транзисторов

Когда транзистор подключен к цепи, требуются четыре клеммы или провода или ветви, по две на вход и на выход. Поскольку мы знаем, что транзисторы имеют только 3 клеммы, эту ситуацию можно преодолеть, сделав одну из клемм общей для входной и выходной секций. Соответственно, транзистор может быть подключен в трех конфигурациях следующим образом:

• Общая базовая конфигурация
• Конфигурация общего эмиттера
• Общая конфигурация коллектора

Ниже приведены некоторые важные замечания о работе транзистора.

• Транзистор может работать в трех областях: активной, насыщенной и отсечной.

• Транзистор при использовании в активной области, соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение коллектор-база — в обратном направлении.

• Транзистор при использовании в области насыщения, переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база также смещен в прямом направлении.

• Транзистор, когда он используется в области отсечки, как соединение база-эмиттер, так и соединение коллектор-база, имеет обратное смещение.

Транзистор может работать в трех областях: активной, насыщенной и отсечной.

Транзистор при использовании в активной области, соединение база-эмиттер смещено в прямом направлении, а соединение коллектор-база — в обратном направлении.

Транзистор при использовании в области насыщения, переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база также смещен в прямом направлении.

Транзистор, когда он используется в области отсечки, как соединение база-эмиттер, так и соединение коллектор-база, имеет обратное смещение.

Сравнение конфигурации транзистора

Следующая таблица показывает сравнение конфигурации транзистора.

Характеристики	Общий эмиттер	Общая база	Общий коллектор
Текущая прибыль	Высоко	нет	значительный
Приложения	Аудио частота	Высокая частота	Сопротивление импеданса
Входное сопротивление	Низкий	Низкий	Очень высоко
Выходное сопротивление	Высоко	Очень высоко	Низкий
Усиление напряжения	Прибл. 500	Прибл. 150	Менее 1

Преимущества и недостатки транзисторов

В следующей таблице перечислены преимущества и недостатки транзисторов.

преимущества	Недостатки
Низкое напряжение источника	Температурная зависимость
Усиление высокого напряжения	Меньше рассеиваемая мощность
Меньше по размеру	Низкое входное сопротивление

Коэффициент усиления тока (α)

Отношение изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при постоянном коллекторе к базовому напряжению V _cb известно как коэффициент усиления тока «α» . Это может быть выражено как

$\ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B}$ при константе V _CB

Ясно, что коэффициент усиления тока меньше единицы, и он обратно пропорционален току базы, считая, что основание легкое и легкое.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Это отношение изменения тока коллектора к изменению базового тока. Небольшое изменение базового тока приводит к очень большому изменению тока коллектора. Следовательно, транзистор способен достигать усиления по току. Это может быть выражено как

$$\ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B}$$

Транзистор как усилитель

На следующем рисунке показано, что нагрузочный резистор (R _L ) включен последовательно с напряжением питания коллектора (V _cc ). Небольшое изменение напряжения V _i между эмиттером и основанием вызывает относительно большое изменение тока эмиттера I _E.

Мы определяем символом «а» — долю этого текущего изменения — которая собирается и проходит через R _L. Изменение выходного напряжения на нагрузочном резисторе ΔV _o = a’RL ΔI _E может во много раз превышать изменение входного напряжения ΔV _I. При этих обстоятельствах усиление напряжения A == V _O / ΔV _I будет больше единицы, а транзистор действует как усилитель.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехполюсное полупроводниковое устройство. Его работа основана на контролируемом входном напряжении. По внешнему виду JFET и биполярные транзисторы очень похожи. Тем не менее, BJT является устройством, управляемым током, а JFET управляется входным напряжением. Чаще всего доступны два типа FET.

• Транзистор с полевым контактом (JFET)
• Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (IGFET)

Транзистор с полевым контактом

Работа транзистора с полевым эффектом соединения зависит только от потока основных носителей (электронов или дырок). По сути, JFET состоят из кремниевого стержня типа N или P, содержащего PN-соединения по бокам. Ниже приведены некоторые важные моменты, которые следует помнить о FET.

• Ворота. Используя диффузию или легирование, обе стороны стержня N-типа сильно легируются для создания PN соединения. Эти легированные области называются воротами (G).

• Источник — это точка входа для большинства носителей, через которую они входят в полупроводниковую полосу.

• Слив — это точка выхода для большинства носителей, через которую они покидают полупроводниковый стержень.

• Канал — это участок материала типа N, через который большинство носителей проходят от источника к стоку.

Ворота. Используя диффузию или легирование, обе стороны стержня N-типа сильно легируются для создания PN соединения. Эти легированные области называются воротами (G).

Источник — это точка входа для большинства носителей, через которую они входят в полупроводниковую полосу.

Слив — это точка выхода для большинства носителей, через которую они покидают полупроводниковый стержень.

Канал — это участок материала типа N, через который большинство носителей проходят от источника к стоку.

Существует два типа JFET, обычно используемых в полевых полупроводниковых устройствах: N-канальный JFET и P-канальный JFET .

N-канал JFET

Он имеет тонкий слой материала N-типа, сформированный на подложке P-типа. На следующем рисунке показана кристаллическая структура и условное обозначение N-канального JFET. Тогда ворота сформированы сверху канала N с материалом типа P. На конце канала и затвора подводятся подводящие провода, а подложка не имеет соединения.

Когда источник постоянного напряжения подключен к источнику и выводам стока JFET, максимальный ток будет течь через канал. Одинаковое количество тока будет течь от истоковой и сливной клемм. Величина тока в канале будет определяться значением V _DD и внутренним сопротивлением канала.

Типичное значение сопротивления исток-сток JFET составляет несколько сотен Ом. Понятно, что даже при открытом затворе в канале будет проходить полная токопроводимость. По существу, величина напряжения смещения, приложенного к ID, контролирует поток носителей тока, проходящих через канал JFET. При небольшом изменении напряжения на затворе JFET может контролироваться в любом месте между полной проводимостью и отключенным состоянием.

P-Channel JFET

Он имеет тонкий слой материала P-типа, сформированный на подложке N-типа. На следующем рисунке показана кристаллическая структура и условное обозначение N-канального JFET. Ворота сформированы сверху канала P с материалом типа N. В конце канала и ворот прикреплены подводящие провода. Остальные детали конструкции аналогичны N-канальному JFET.

Обычно для обычной работы терминал затвора сделан положительным по отношению к исходному терминалу. Размер слоя истощения PN-перехода зависит от колебаний значений напряжения обратного смещения на затворе. При небольшом изменении напряжения на затворе JFET может контролироваться в любом месте между полной проводимостью и отключенным состоянием.

Выходные характеристики JFET

Выходные характеристики JFET выводятся между током стока (I _D ) и напряжением источника стока (V _DS ) при постоянном напряжении источника затвора (V _GS ), как показано на следующем рисунке.

Первоначально ток стока (I _D ) быстро возрастает с напряжением источника стока (V _DS ), однако внезапно становится постоянным при напряжении, известном как напряжение отсечки (V _P ). Выше напряжения срабатывания ширина канала становится настолько узкой, что позволяет очень малому току стока проходить через него. Следовательно, ток стока (I _D ) остается постоянным выше напряжения отсечки.

Параметры JFET

Основными параметрами JFET являются —

• Сопротивление стоку переменного тока (Rd)
• Крутизна
• Коэффициент усиления

Сопротивление стока переменного тока (R _d ) — это отношение изменения напряжения источника стока (ΔV _DS ) к изменению тока стока (ΔI _D ) при постоянном напряжении затвора. Это может быть выражено как,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) при постоянной V _GS

Transconductance (g _fs ) — это отношение изменения тока стока (ΔI _D ) к изменению напряжения на затворе (ΔV _GS ) при постоянном напряжении на стоке. Это может быть выражено как,

g _фс = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) при постоянном V _DS

Коэффициент усиления (u) — это отношение изменения напряжения стока-истока (ΔV _DS ) к изменению постоянного напряжения на затворе (ΔV _GS ) постоянного тока стока (ΔI _D ). Это может быть выражено как,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) при постоянной I _D

Полупроводниковые приборы — JFET Biasing

Для смещения JFET используются два метода: метод самосмещения и метод деления потенциала. В этой главе мы подробно обсудим эти два метода.

Метод самоконтроля

На следующем рисунке показан метод самосмещения n-канального JFET. Ток стока течет через R _s и создает требуемое напряжение смещения. Следовательно, R _s является резистором смещения.

Следовательно, напряжение на резисторе смещения,

$$V_s = I_ {DRS}$$

Как мы знаем, ток затвора пренебрежимо мал, клемма затвора находится на заземлении постоянного тока, V _G = 0,

$$V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS}$$

Или $V_ {GS} = -I_ {DRS}$

V _GS сохраняет ворота отрицательными по отношению к источнику.

Метод делителя напряжения

На следующем рисунке показан метод деления напряжения смещения JFET. Здесь резисторы R ₁ и R ₂ образуют схему делителя напряжения на напряжении источника питания (V _DD ), и она более или менее идентична той, которая используется при смещении транзистора.

Напряжение на R ₂ обеспечивает необходимое смещение —

$$V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ times R_2$$

$= V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S$

Или $V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS}$

Схема спроектирована так, что V _GS всегда отрицательный. Рабочая точка может быть найдена с помощью следующей формулы —

$$I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S}$$

и $V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S)$

Полупроводниковые приборы — MOSFET

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , также известные как MOSFET, имеют большее значение и являются новым дополнением к семейству FET.

Он имеет слегка легированную подложку P-типа, в которую распространяются две сильно легированные зоны N-типа. Уникальной особенностью этого устройства является конструкция ворот. Здесь ворота полностью изолированы от канала. Когда на затвор подается напряжение, у него развивается электростатический заряд.

В этот момент ток не может течь в области затвора устройства. Также ворота — это область устройства, которая покрыта металлом. Обычно диоксид кремния используется в качестве изоляционного материала между затвором и каналом. По этой причине он также известен как изолированные ворота FET . Существует два широко используемых МОП-транзистора: i) истощающий МОП-транзистор, ii) улучшающий МОП-транзистор.

D MOSFET

На следующих рисунках показан n-канальный D-MOSFET и символ. Затвор образует конденсатор с затвором в качестве одной пластины, а другая пластина является каналом со слоем SiO _{2 в} качестве диэлектрика. Когда напряжение затвора изменяется, изменяется электрическое поле конденсатора, что, в свою очередь, меняет сопротивление n-канала.

В этом случае мы можем подать положительное или отрицательное напряжение на затвор. Когда МОП-транзистор работает с отрицательным напряжением затвора, он называется режимом истощения, а при работе с положительным напряжением затвора он называется режимом усиления МОП-транзистора.

Режим истощения

На следующем рисунке показан n-канальный D-MOSFET в режиме истощения.

Его работа заключается в следующем —

• Большинство электронов доступно на затворе, поскольку затвор отрицателен, и он отталкивает электроны n- канала.

• Это действие оставляет положительные ионы в части канала. Другими словами, некоторые из свободных электронов n- канала истощаются. В результате меньшее количество электронов доступно для проводимости тока через n- канал.

• Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше ток от истока до стока. Таким образом, мы можем изменить сопротивление канала n и ток от истока до стока, изменяя отрицательное напряжение на затворе.

Большинство электронов доступно на затворе, поскольку затвор отрицателен, и он отталкивает электроны n- канала.

Это действие оставляет положительные ионы в части канала. Другими словами, некоторые из свободных электронов n- канала истощаются. В результате меньшее количество электронов доступно для проводимости тока через n- канал.

Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше ток от истока до стока. Таким образом, мы можем изменить сопротивление канала n и ток от истока до стока, изменяя отрицательное напряжение на затворе.

Режим улучшения

На следующем рисунке показан n канал D MOSFET в расширенном режиме работы. Здесь затвор действует как конденсатор. Тем не менее, в этом случае ворота являются положительными. Это провоцирует электроны в n- канале, и число электронов увеличивается в n- канале.

Положительное напряжение на затворе увеличивает или увеличивает проводимость канала. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость от истока к стоку.

Таким образом, мы можем изменить сопротивление канала n и ток от истока до стока, изменяя положительное напряжение на затворе.

Передача Характеристики D — МОП-транзистор

На следующем рисунке показаны передаточные характеристики D-MOSFET.

Когда V _GS становится отрицательным, I _D падает ниже значения I _DSS , пока оно не достигнет нуля, а V _GS = V _GS (выкл.) (Режим истощения). Когда V _GS равно нулю, I _D = I _DSS, потому что затвор и клеммы источника закорочены. I _D увеличивается выше значения I _DSS , когда V _GS является положительным и MOSFET находится в режиме усиления.

Операционные усилители

Операционный усилитель, или операционный усилитель, является дифференциальным усилителем с очень высоким усилением с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Операционные усилители обычно используются для обеспечения изменения амплитуды напряжения, генераторов, схем фильтров и т. Д. Операционный усилитель может содержать несколько ступеней дифференциального усилителя для достижения очень высокого усиления по напряжению.

Это дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, использующий прямую связь между выходом и входом. Это подходит как для постоянного, так и для переменного тока. Операционные усилители выполняют множество электронных функций, таких как измерительные устройства, генераторы сигналов, активные фильтры и т. Д. Помимо различных математических операций. Это универсальное устройство также используется во многих нелинейных приложениях, таких как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи, логарифмические усилители, генераторы нелинейных функций и т. Д.

Основной дифференциальный усилитель

На следующем рисунке показан основной дифференциальный усилитель —

На рисунке выше —

• V _DI = дифференциальный вход

• V _DI = V ₁ — V ₂

• V _DO = дифференциальный выход

• V _DO = V _C1 — V _C2

V _DI = дифференциальный вход

V _DI = V ₁ — V ₂

V _DO = дифференциальный выход

V _DO = V _C1 — V _C2

Этот усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами, V ₁ и V ₂ .

Дифференциальное усиление напряжения,

$$A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}}$$

а также

$$A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}}$$

Как показано на следующем рисунке, основной операционный усилитель состоит из трех этапов:

Этап ввода

Это первый этап и имеет следующие характеристики.

• Высокая CMR (синфазное отклонение)
• Высокий входной импеданс
• Широкая ширина полосы
• Низкое (DC) входное смещение

Это некоторые важные характеристики для производительности операционного усилителя. Эта ступень состоит из ступени дифференциального усилителя и транзистора смещенного, так что он действует как источник постоянного тока. Источник постоянного тока значительно увеличивает CMR дифференциального усилителя.

Ниже приведены два входа для дифференциального усилителя:

• V ₁ = неинвертирующий вход
• V ₂ = инвертирующий вход

Промежуточная стадия

Это вторая ступень, предназначенная для улучшения коэффициента усиления по напряжению и току. Усиление тока требуется для подачи достаточного тока для возбуждения выходного каскада, где генерируется большая часть мощности операционного усилителя. Эта ступень состоит из одного или нескольких дифференциальных усилителей, за которыми следует повторитель излучателя и ступень смещения уровня постоянного тока. Схема сдвига уровня позволяет усилителю иметь два дифференциальных входа с одним выходом.

V out = + VE	когда V 1 > V 2
V out = -ve	когда V 2 <V 1
V out = 0	когда V 1 = V 2

Выходной этап

Это последняя ступень операционного усилителя, которая имеет низкий выходной импеданс. Это обеспечивает необходимый ток для управления нагрузкой. Более или менее ток будет поступать от выходного каскада по мере изменения нагрузки. Поэтому важно, чтобы предыдущая ступень работала без влияния выходной нагрузки. Это требование удовлетворяется путем разработки этой ступени, чтобы иметь высокий входной импеданс и высокий коэффициент усиления по току, однако с низким выходным импедансом.

Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий вход и инвертирующий вход .

На приведенном выше рисунке показан инвертирующий тип операционного усилителя. Сигнал, который подается на инвертирующий входной терминал, усиливается, однако выходной сигнал не совпадает по фазе с входным сигналом на 180 градусов. Сигнал, подаваемый на неинвертирующий входной терминал, усиливается, а выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом.

Операционный усилитель может быть подключен в большом количестве цепей для обеспечения различных рабочих характеристик.

Полупроводниковые приборы — практические операционные усилители

Инвертирующий усилитель

На следующем рисунке показан инвертирующий усилитель. Входной сигнал усиливается и инвертируется. Это наиболее широко используемая схема усилителя с постоянным усилением.

V _o = -R _f .V _in / R ₁

Коэффициент усиления по напряжению A = (-R _f / R ₁ )

Неинвертирующий усилитель

На следующем рисунке показана схема операционного усилителя, которая работает как неинвертирующий усилитель или умножитель с постоянным усилением и имеет лучшую стабильность частоты.

Входной сигнал усиливается, но не инвертируется.

Выход V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Коэффициент усиления по напряжению A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Инвертирующий суммирующий усилитель

На следующем рисунке показан инвертирующий суммирующий усилитель. Это наиболее используемая схема операционного усилителя. Схема показывает суммирующий усилитель с тремя входами, который обеспечивает средство алгебраического суммирования трех напряжений, каждое из которых умножается на коэффициент постоянного усиления. Выходное напряжение выражается как,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Если R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = — (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

Полупроводниковые приборы — интегратор

На следующем рисунке показано, что используемый компонент обратной связи является конденсатором, а полученное соединение называется интегратором.

Эквивалент виртуальной земли показывает, что выражение для напряжения между входом и выходом может быть получено через ток (I) от входа до выхода. Напомним, что виртуальное заземление означает, что мы можем рассматривать напряжение на стыке R и X _C как заземление (поскольку V _i ≈ 0 В), однако в этой точке ток не идет в землю. Емкостное сопротивление может быть выражено как

$$X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC}$$

Где s = jw, как в обозначениях Лапласа. Решение уравнения для $V_o / V_i$ дает следующее уравнение

$$I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1}$$

$$\ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1}$$

Это может быть записано во временной области как

$$V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt$$

Полупроводниковые приборы — Дифференциатор

Схема дифференциатора показана на следующем рисунке.

Дифференциатор обеспечивает полезную операцию, результирующее соотношение для схемы

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

Ниже приведены некоторые важные параметры операционного усилителя —

Увеличение напряжения разомкнутой петли (AVOL)

Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре операционного усилителя представляет собой его дифференциальное усиление в условиях, когда отрицательная обратная связь не используется. AVOL колеблется от 74 дБ до 100 дБ.

AVOL = [V _o / (V ₁ — V ₂ )]

Выходное смещение напряжения (VOO)

Выходное напряжение смещения операционного усилителя является его выходным напряжением, когда его дифференциальное входное напряжение равно нулю.

Синфазное отклонение (CMR)

Если оба входа имеют одинаковый потенциал, что приводит к нулевому дифференциальному входу, а если выходной сигнал равен нулю, говорят, что операционный усилитель имеет хорошее подавление синфазного сигнала.

Усиление синфазного сигнала (AC)

Синфазное усиление операционного усилителя — это отношение синфазного выходного напряжения к синфазному входному напряжению.

Дифференциальное усиление (AD)

Дифференциальное усиление операционного усилителя — это отношение выхода к дифференциальному входу.

Ad = [V _o / (V ₁ ) — V ₂ ]

Коэффициент отклонения синфазного сигнала (CMRR)

CMRR операционного усилителя определяется как отношение дифференциального усиления с обратной связью к усилению синфазного сигнала.

CMRR = Ad / AC

Скорость нарастания (SR)

Скорость нарастания — это скорость изменения выходного напряжения, вызванная ступенчатым входным напряжением. Идеальная скорость нарастания бесконечна, что означает, что выход операционного усилителя должен мгновенно изменяться в ответ на входное шаговое напряжение.

Мы уже обсуждали некоторые применения операционного усилителя, такие как дифференциатор, интегратор, суммирующий усилитель и т. Д. Некоторые другие общие применения операционных усилителей:

• Логарифмический усилитель
• Гиратор (симулятор индуктивности)
• Повторитель постоянного и переменного напряжения
• Аналого-цифровой преобразователь
• Цифро-аналоговый преобразователь
• Источники питания для защиты от перенапряжения
• Индикатор полярности
• Повторитель напряжения
• Активные фильтры

Полупроводниковые приборы — осцилляторы

Генератор — это электронная схема, которая генерирует синусоидальные колебания, известные как синусоидальные генераторы . Он преобразует входную энергию от источника постоянного тока в выходную энергию переменного тока периодической формы волны с определенной частотой и известной амплитудой. Характерной особенностью генератора является то, что он поддерживает свою мощность переменного тока.

На следующем рисунке показан усилитель с сигналом обратной связи даже при отсутствии входящего внешнего сигнала. Синусоидальный генератор по существу является формой усилителя обратной связи, где особые требования предъявляются к коэффициенту усиления напряжения A _v и сетям обратной связи β .

Рассмотрим усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке, где напряжение обратной связи V _f = βV _O подает все входное напряжение

$V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i$ (1)

$V_i = A_V \ beta V_i$ Или $(1 - A_V \ beta) V_i = 0$ (2)

Если необходимо создать выходное напряжение, входное напряжение не может быть нулевым. Следовательно, для существования V _i уравнение (2) требует, чтобы

$(1 - A_V \ beta) = 0$ или $A_V \ beta = 1$ (3)

Уравнение (3) известно как «критерий Баркгаузена» , в котором изложены два основных требования к колебанию:

• Усиление напряжения вокруг усилителя и контура обратной связи, называемое усилением контура, должно быть равно единице, или $A_V \ beta = 1$.

• Фазовый сдвиг между $V_i$ и $V_f$, называемый фазовым сдвигом петли, должен быть нулевым.

Усиление напряжения вокруг усилителя и контура обратной связи, называемое усилением контура, должно быть равно единице, или $A_V \ beta = 1$.

Фазовый сдвиг между $V_i$ и $V_f$, называемый фазовым сдвигом петли, должен быть нулевым.

Если эти два условия выполняются, усилитель обратной связи на приведенном выше рисунке будет последовательно генерировать синусоидальную форму выходного сигнала.

Давайте теперь обсудим подробно о некоторых типичных схемах генератора.

Генератор сдвига фазы

Цепь генератора, которая следует за фундаментальным развитием цепи обратной связи, является генератором сдвига фазы. Генератор сдвига фазы показан на следующем рисунке. Требования к колебаниям заключаются в том, что усиление контура (βA) должно быть больше единицы, а фазовый сдвиг между входом и выходом должен составлять 360 ^o .

Обратная связь обеспечивается с выхода RC-сети обратно на вход усилителя. Ступень усилителя операционного усилителя обеспечивает начальный сдвиг на 180 градусов, а сеть RC вводит дополнительную величину сдвига фазы. На определенной частоте сдвиг фазы, вносимый сетью, составляет ровно 180 градусов, поэтому контур будет равен 360 градусам, а напряжение обратной связи соответствует входному напряжению фазы.

Минимальное количество каскадов RC в сети обратной связи равно трем, поскольку каждый участок обеспечивает сдвиг фаз на 60 градусов. RC генератор идеально подходит для диапазона звуковых частот, от нескольких циклов до примерно 100 кГц. На более высоких частотах импеданс сети становится настолько низким, что он может серьезно нагружать усилитель, тем самым снижая его коэффициент усиления по напряжению ниже требуемого минимального значения, и колебания прекращаются.

На низких частотах эффект нагрузки обычно не является проблемой, и требуемые большие значения сопротивления и емкости легко доступны. Используя базовый анализ сети, колебание частоты может быть выражено как

$$f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}}$$

Осциллятор моста Вены

В практической схеме генератора используется операционный усилитель и мостовая схема RC, частота генератора задается компонентами R и C. На следующем рисунке показана базовая версия осцилляторной схемы моста Вина.

Обратите внимание на основное мостовое соединение. Резисторы R ₁ и R ₂ и конденсаторы C ₁ и C ₂ образуют элементы регулировки частоты, тогда как резисторы R ₃ и R ₄ образуют часть пути обратной связи.

В этом приложении входное напряжение (V _i ) для моста является выходным напряжением усилителя, а выходное напряжение (V _o ) моста является обратной связью с входом усилителя. Пренебрегая эффектами нагрузки входного и выходного импедансов операционного усилителя, анализ мостовой схемы приводит к

$$\ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1}$$

а также

$$f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}}$$

Если R ₁ = R ₂ = R и C ₁ = C ₂ = C, результирующая частота генератора равна

$$f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC}$$

Осциллятор Хартли

На следующем рисунке показан осциллятор Хартли. Это одна из самых распространенных радиочастотных цепей. Обычно он используется в качестве локального генератора в приемнике радиовещательной связи. Биполярный переходный транзистор в соединении с общим эмиттером является усилителем напряжения и смещен универсальной схемой смещения, состоящей из R ₁ , R ₂ , R _E. Обходной конденсатор эмиттера (C _E ) увеличивает коэффициент усиления по напряжению на этом одном транзисторном каскаде.

Радиочастотный дроссель (RFC) в цепи коллектора действует как разомкнутая цепь на частоте RF и предотвращает попадание энергии RF в источник питания. Контур бака состоит из L ₁ , L ₂ и C. Частота колебаний определяется значением L ₁ , L ₂ и C и определяется колебаниями на резонансной частоте контура бака LC. Эта резонансная частота выражается как

$$f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}}$$

Выходной сигнал может быть взят из коллектора посредством емкостной связи, при условии, что нагрузка велика и частота колебаний не изменяется.

пьезоэлектричество

Пьезоэлектрические свойства проявляются рядом природных кристаллических веществ, наиболее важными из которых являются кварц, соль Рошеля и турмалин. Когда синусоидальное напряжение прикладывается к этим материалам, они вибрируют с частотой приложенного напряжения.

С другой стороны, когда эти материалы сжимаются и подвергаются механическому напряжению для вибрации, они создают эквивалентное синусоидальное напряжение. Поэтому эти материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами. Кварц — самый популярный пьезоэлектрический кристалл.

Кварцевый генератор

Принципиальная схема кварцевого генератора показана на следующем рисунке.

Кристалл здесь действует как настроенный контур. Эквивалентная схема кристалла приведена ниже.

Кристаллический генератор имеет две резонансные частоты: последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту.

Серийная Резонансная Частота

$$f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}}$$

Параллельная резонансная частота

$$f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}}$$

Две резонансные частоты почти одинаковы, так как C / Cm очень мала. На приведенном выше рисунке кристалл подключен для работы в параллельном резонансном режиме.

Резисторы R ₁ , R ₂ , R _E и транзистор вместе образуют схему усилителя. Резисторы R ₁ и R ₂ обеспечивают стабилизированное напряжение постоянного тока смещения. Конденсатор (C _E ) обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора (R _E ), а RFC обеспечивает высокий импеданс частоты, генерируемой генератором, чтобы они не входили в линии электропередачи.

Кристалл расположен параллельно с конденсаторами C ₁ и C ₂ и обеспечивает максимальную обратную связь по напряжению от коллектора к эмиттеру, когда его полное сопротивление максимально. На других частотах сопротивление кристалла низкое, поэтому результирующая обратная связь слишком мала, чтобы выдерживать колебания. Частота генератора стабилизируется на параллельной резонансной частоте кристалла.

Обратная связь и компенсация

Основное назначение сети смещения состоит в установлении взаимосвязей между напряжением и током коллектор-база-эмиттер в рабочей точке цепи (рабочая точка также известна как точка покоя, точка Q, точка без сигнала, точка холостого хода, или статическая точка). Поскольку транзисторы редко работают в этой точке Q, базовые сети смещения обычно используются в качестве эталона или отправной точки для проектирования.

Фактическая конфигурация схемы и, в частности, значения сети смещения выбираются на основе динамических условий цепи (желаемое колебание выходного напряжения, ожидаемый уровень входного сигнала и т. Д.). Как только желаемая рабочая точка установлена, следующей функцией сети смещения является стабилизировать схему усилителя в этой точке. Базовая сеть смещения должна поддерживать требуемые зависимости тока при наличии изменений температуры и источника питания и возможной замены транзистора.

В некоторых случаях изменения частоты и изменения, вызванные компонентом снова, также должны компенсироваться сетью смещения. Этот процесс обычно называют стабилизацией смещения. Надлежащая стабилизация смещения поддержит цепь усилителя в желаемой рабочей точке (в практических пределах) и предотвратит термический разгон.

Коэффициент стабильности ‘S’

Он определяется как скорость изменения тока коллектора относительно обратного тока насыщения, поддерживая постоянными β и V _BE . Выражается как

$$S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c}$$

Методы стабилизации смещения

Метод, позволяющий сделать рабочую точку независимой от изменений температуры или изменений параметров транзисторов, известен как стабилизация . Существует несколько схем обеспечения стабилизации смещения твердотельных усилителей. Все эти схемы имеют форму отрицательной обратной связи. То есть любая ступень в транзисторных токах производит соответствующее изменение напряжения или тока, которое стремится уравновесить первоначальное изменение.

Существует два основных метода получения отрицательной обратной связи: обратная обратная связь по напряжению и обратная обратная связь по току.

Обратная связь по напряжению

На следующем рисунке показана базовая сеть смещения обратного напряжения. Соединение эмиттер-основание смещено в прямом направлении напряжением на стыке R ₁ и R ₂ . Соединение база-коллектор имеет обратное смещение из-за разности напряжений на коллекторе и базе.

Обычно коллектор усилителя с резистивной связью находится под напряжением, приблизительно равным половине напряжения резистора питания (R ₃ ), подключенного между коллектором и базой. Поскольку напряжение на коллекторе положительное, часть этого напряжения передается на базу для поддержки прямого смещения.

Нормальное (или точка Q) прямое смещение на соединении эмиттер-база является результатом всех напряжений между эмиттером и базой. По мере увеличения тока коллектора на R _L возникает большее падение напряжения. В результате напряжение на коллекторе уменьшается, уменьшая напряжение обратной связи с базой через R ₃ . Это уменьшает прямое смещение эмиттер-основание, уменьшает ток эмиттера и снижает ток коллектора до его нормального значения. При начальном уменьшении тока коллектора происходит обратное действие, и ток коллектора увеличивается до своего нормального значения (точка Q).

Любая форма отрицательной или обратной обратной связи в усилителе имеет тенденцию противодействовать всем изменениям, даже тем, которые возникают при усилении сигнала. Эта обратная или отрицательная обратная связь имеет тенденцию уменьшать и стабилизировать усиление, а также нежелательные изменения. Этот принцип стабилизации усиления с помощью обратной связи используется в более или менее всех типах усилителей.

Обратная обратная связь

На следующем рисунке показана отличительная сеть смещения обратного тока (эмиттер-обратная связь) с использованием NPN-транзистора. Обратная связь по току используется чаще, чем обратная связь по напряжению в твердотельных усилителях. Это связано с тем, что транзисторы представляют собой устройства, работающие от тока, а не устройства, работающие от напряжения.

Использование сопротивления эмиттер-обратная связь в любой цепи смещения можно суммировать следующим образом: Ток базы зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. Если дифференциальное напряжение снижается, будет течь меньший базовый ток.

Противоположность верна, когда дифференциал увеличен. Весь ток течет через коллектор. Напряжение падает на резисторе эмиттера и поэтому не является полностью зависимым. По мере увеличения тока коллектора ток эмиттера и падение напряжения на резисторе эмиттера также будут увеличиваться. Эта отрицательная обратная связь имеет тенденцию уменьшать разницу между базой и эмиттером, таким образом снижая ток базы. В свою очередь, более низкий базовый ток имеет тенденцию уменьшать ток коллектора и уравновешивать первоначальный ток коллектора.

Компенсация смещения

В твердотельных усилителях, когда потеря в усилении сигнала недопустима в конкретном приложении, методы компенсации часто используются для уменьшения дрейфа рабочей точки. Чтобы обеспечить максимальный уклон и термостабилизацию, оба метода компенсации и стабилизации могут использоваться вместе.

На следующем рисунке показана методика диодной компенсации, в которой использовалась как диодная компенсация, так и стабилизация смещения. Если и диод, и транзистор относятся к одному типу, то они имеют одинаковый температурный коэффициент в цепи. Здесь диод смещен вперед. КВЛ для данной схемы можно выразить как —

$$I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)}$$

Из приведенного выше уравнения ясно, что $V_ {BE}$ следует за VO относительно температуры, и Ic не будет влиять на изменения в $V_ {BE}$. Это эффективный способ позаботиться о рабочей точке транзистора из-за изменения в $V_ {BE}$.

Устройство температурной компенсации

Мы также можем использовать некоторые чувствительные к температуре устройства для компенсации изменений внутренних характеристик транзистора. Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что с повышением температуры его сопротивление уменьшается в геометрической прогрессии. На следующем рисунке показана схема, в которой используется термистор (R _T ) для уменьшения увеличения тока коллектора из-за изменения в $V_ {BE}$, ICO или β в зависимости от температуры.

Когда температура увеличивается, R _T уменьшается, а ток, подаваемый через R _T в R _E, увеличивается. Падение напряжения срабатывания на R _E происходит в направлении, противоположном смещению транзистора. R _T действует так, чтобы иметь тенденцию компенсировать увеличение IC, которое увеличивается из-за повышения температуры.