/
Автор: Стоянов И.И.
Теги: радиотехника електротехника инженерство електроника радиоелектроника полупроводникови устройства
Год: 1989
Текст
ИВАН СТОЯНОВ
ЕЛЕКТРОННИ
И ПОЛУ-
ПРОВОДНИКОВИ
ПРИБОРИ
УЧЕБНИК
ЗА ТЕХН И КУМИ
ТЕХНИКА
ОЗНАЧЕНИЯ
НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ПРИБОРИ
В ЕЛЕКТРИЧЕСКИТЕ СХЕМИ
Диод. Общо означение
Ценеров диод
Тунелен диод
к
Капацитивен диод (варикап)
Транзистор биполярен тип PNP
тен) Р канал
Доц. к.т.н. инж.
ИВАН И. СТОЯНОВ
ЕЛЕКТРОННИ
ИПОЛУ-
ПРОВОДНИКОВИ
ПРИ БОРИ
УЧЕБНИК
ЗА ТЕХН И КУМИТЕ
ПО ЕДЕКТРОТЕХНИКА
Z ЛИЧ Е а \
«гла)
ДЪРЖАВНО ИЗДАТЕЛСТВО
«ТЕХНИКА»
СОФИЯ, 1989
УДК 621.38(075.8)
Учебникьг е второ преработено и дополнено издание Написан е сь
гласно с учебнага програма и насокиге за нреработване на учебника, да
дели or МКНП Предназначен е за учениците от техникумите по елек
гротехника. специалности електронна техника, радиотехника и ге (евизия.
сьобщигелна техника, консгруиране и технология на елекгронни елемен
ги, консгруиране и технология на радиохидроакус1ична auapaiypa
II ьрвото издание на учебника е одобрено oi МКНП но предложение на
комисия в състав:
Председагел доц к т.н. инж Атанас Шишков
Рецензеиги инж. Виктор Канети
инж. Мария Каменева
Научен редактор Маргарита Нашар
Членове: инж Басила Парчева главен специалист ог МКНП
инж Пина Денева завеждащ редакция
С Иван Иаиев Стон нов. 1У»9
с/о Jusautor, Sofia
373(075)
1 ,'l А В A |Гм> В Л
к >»Bt И И И I
1.1. ПРЕДМЕТ НА ЕЛЕКТРОНИКАГА
Като обобщ тв.пцо понятие електропика га имя гвьрде всеобхваген
смись.т И гименов аниего и пронтхожда от грьцкага чума елек
трон темен торна i а частица, с конто са свьрзанн основните
продет и 1 яч тения в с-лек тропика га. Гейт пронеси обхвати фи
пишите ив тения вьв вакуум, такова среда или в крист а.тнага
структура тгт гвьр.дою тя ю.
Като при I дата наука електропика га разгаеж та изпол ту в тнен
на е текгропните средства, от един страна, а от друга тахион
кроваво дсгво. Гака гя е основа та ратвигттего на елек тропнат
про.миш тепост
Е тектроникага заеда особено важно място в сьвременнчя тех
ническн нрогрес, Гя иавлтт та вьв веники сферп на про.мнцыенот т га
в селского сюн нтство и в бига. Е текгронни устройства а сисге.ми
кон гролираг. итмерват, прес.мягаг. управ гяваг. Ге са незаменим
помощник при провеждане на ттаучни изс тедванття. Чрет елекгро
никага се прониква в гайниге на магерияга, изследва се космиче
ского пространство, управляваг се косми теските полети. Характер
на черта на сьвременння технически нрогрес е внсокого равнище
на развитие на средсгвага за предаване на информация. Земното
кь тбо е обхванато от широка мрежа от радиора мтрьсквагелии,
гелевизионни и с ьобш.и те тип система Изчир тигелии коми текси
решав.тг и зкночи телио с пожни задачи. Гру дно би могло да се из
брояг вен тки обл ic।и на развитие и ферн на приложение н т лек
тропика га като цято.
Теория, технология и приложения са трите дие.тектрически евър-
тантт cipann на едашш.т нроцес на развитие на еаектроник.па
Електроник па таем з все по-голи л тя т аг нкономикатз на всяка
наиредил.ia страна.
Н ни на i грана се н т те к да па е дно от пт.рвиге места в стзс га по
тела п.т е си трон па га продукция в обшил обем на ттромнщленото
ироизво дстао. В паргиин не и дьр ктвинте документи елекгрони-
кати е определена като стратеги теско направление в развитие .о на
тех тнческия нрогрес Всичко гова изисква израсгване на ново по
3
коление от кадри, запознати добре с основите на електрониката и
електроннитесредства, използувани в различимте сфери на народ
ното стопанство и културния живот.
Електронните средства независимо от областта на тяхното при-
ложение имат единца елементна база. В нея се включват: елек-
тронни лампи, полупроводникови прибори, микроелектронни и оп-
тоелектронни изделия, резистори, кондензатори, бобини, транс-
форматорп и др.
1.2. КРАТКИ ИСТОРИЧЕСКИ СВЕДЕНИЯ
Началото на електрониката е поставено твьрде отдавна. Нейното
развитие е подтиквано от непрекъснатия стремеж на човека към
онознаване на тайните на природата и използуване на природните
явления за задоволяване на потребностите на човечеството.
Физнкьт Фарадей полага основите на електричеството и маг
нетизма. Изключителният математик Максуел обоснована елек-
тромагнитната индукция и в 1864 г. публикува «Динамична теория
на електромагнитното поле». Находчивият експериментатор Хайн-
рих Херц в 1887 г. доказва теоретичните изводи на Максуел чрез
серия от експерименти.
В 1895 г. гениалният руски учен А. С. Попов показва на света
широката перспектива за използуване на електромагнитните въл-
ни. Той предава и приема първата радиограма и демонстрира пър-
вия в света приемник. Поставено е началото на ерата на радиото.
В тези години се използуват искрови предаватели, действуващи
на основата на волтова дъга, и кристални детектори. Усилвателни-
ят ефект не е известен. Но още през 1883 г. Едисон открива, че ако
във вакуумния балон на електрическата лампа се постави метален
електрод и се приложи положително напрежение, във вакуума
между нажежаемата нишка и електрода протича ток. Едва през
1904 г. Флеминг използува Едисоновия ефект и създава първата
двуелектродна лампа, а през 1907 г. Ли де Форест поставя трети
допълнителен електрод във вид на метална решетка. Така започ-
ва развитие™ на първото поколение електронни прибори - елек-
тронните лампи, с което се дава възможност за развитие на радио-
техниката и съобщителната техника.
В 1923 г. е реализирана късовълнова радиовръзка през Атланти-
ческий океан. В периода от 1932 до 1934 г. се създават клистронът
и магнетронът и се поставя началото на радиолокация га. От 1931 г.
с изобретяването на кинескопа и фотоумножителя се създават
предпоставки за развитие™ на телевизията. Все по-paзширяващи-
те се приложения на електрониката, граничещи с човсшката фан-
тазия, подтикват непрекъснатото усъвършенствуване на елемент-
ната й база. Интересен е в това отношение иеторическият път на
развитие на полупроводилковите прибори и микроелектрониката.
Още в 1922 г. съветският физик Лосев изследва волт амперните
4
характеристики на кристалните диоди. Той открива отрицателното
диференциално сънротивление и ефекта на светене на контакта ме-
га л IIОЛ У11 р о вод н и к.
Все онге обаче не е изучена физиката на твърдото тяло, конто е
1еоретична основа на микроелектрониката. През 40-те и 50-те годи-
ни на века Шотки, Йофе, Давидов, Шокли и др. развиват основ
ните положения във физиката на нолунроводниците. В 1948 г. Бар-
дин и Братейн конструират нървия точков германцев транзистор.
Гой е с много недостатьци, но нодсказва едно ново направление в
развитието на елементната база на електрониката. В 1949 г. е ну-
бликувана теорията на PN прехода и е поставено началото на
производство™ на бинолярните полупроводннкови прибори. За-
почва бурен иодем в усъвьршенствуванего на елементната база.
В 1963 г. е конструиран пьрвияг операционен усилвател от Вид-
лар и в 1965 г. започва промишленото производство на нървите
линейни интегрални схеми. MOS структурите иредетавляват нача-
лото па цифровите интегрални схеми, за да се стигне в настоящая
став до масовото производство и приложение на микропропесорни
ге фамилии и системи, до съвременните микро и минико.мпютри
и сложните електронноизчиелителии комплекса.
1.3. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ЕЛЕКТРОННИТЕ ПРИБОРИ
Елементнага база на електрониката в но широкий смнсьл на ту
мага се cbcioh oi паснвип елемеши. активин елемептп и допьлнп-
гелнн елемептп нревключватели, съединители и др.
Писивни елеменгн са онези градивпп единица, конго не притежа-
Bai способное!га да усилвач елекгрнчески енгнали Характерна
предпавпie.ni на га ш трупа елемептп са резисюрите и кондея
гаторн ге.
. 1 кливниге елеменгн мота г да у снова 1 елекгрнчески енгнали.
Най-1И1П1Чни представители на активниге елемептп са транзисто
ри ге
За да се съгладе е дно електронни устройство, граднвпите елек-
тронни елеменгн се pa rno.iarai в определен ре i и се свьрзват по
гакъв начни, че да оформят възел, игньлняващ определена функ-
ции. Един или новече такива възела съставят съответното електрон-
1)о устройство Магерналнияг посидел на елемеиттпе може да бвде
метално тиаси с подходящи разположени върху него лайенн, цокли,
реглеги и др. Тогава врьзките между отделите електронни еле
менги ее оеыцествяват с помопгга на нроводници. Такъв монтаж
на елекгронната апаратура ее нарича ооемен монтаж
С развитието на електронните технологи!! бе в введен г. нар. не
чатен монтаж пьрва стьнка кв.м рацпонали тиране на врьзките
между отделяйте елеменгн и намаляване наобема на електронните
усгройс|ва. В тозн случай елементгие ее разнолагат вьрху платка
от изолацноиен материал и елок грическите връзки се ocbiuccibh
nai чрез печати проводницн токопровежданш пнет оз меню
фолио Koiaio свързващите iineiii са разноложеви върху едната
. грана, платката се нарича еднослойна.
При по-еложни схема е невъзможно да се реали зпрат връ.зкпте
<амо от едната страна на печатнат платка. Тогава те се разпо-
лагат от двете страна и плат ката се нарича двуслойна. В еьвре
менната електронноизчислителна техника се използува! платки
т>< седем и повече слоя
Микроелектрониката откри пътя на нови технологии за интегри-
ране на електронните елементи в единни вьзли и устройства. Раз
мерите на тези елементи, разположенн върху повър.хност га и в дьл
бочииата на полупроводниковата пластина, са от порядъка па мик
рометри. Това дава въз.можност върху един чип (пластика) да се
разположат десетки и стотици хилядн елементи (транзисюрн). С
помощта на обединени технологии се осъщеы вяват необходим!! те
врьзки между тези елементи, за да се получи определен визе л или
цяло устройство (оиерационен усилвател, оперативна намет, ком
пютьр). Ненрекъснатого увеличаване на стенента на интеграция
на електронните елементи в микросхемиге в сьчетание с техноло-
1Ията на печатная монтаж са основата за мпкромнниатюрнза
дияга на електронните устройства и система Този пронес особено
си.то се прояви при електронноизчислитслнгие машннн от 1V
поколение.
1 гектронните елементи могат да се класпфицираг г норед раз
личин прнзнани.
В зависимост от средата в конто се развивал пронеси ie, << делят
на три основни класа: електронновакуумни и йонни прибори,
колунроводннковп прибори и нтегралпп схеми, ошое.н ктроннн
;,| бори
( поред мощност пте се различават мотни, срстномотни и при
бори с малка мощноет; споре г напреженията високоволтови и
ннсковолюви: според работайте честоти ннскочестотн, високо-
чесютни и свръхвпсокочестотин (СВЧ).
В зависимое! от видена прсобразуванат енертпя електронните
ириоори се разделят на слединге основан групп
Г 1екIропреобразувачеihu прибори иргобразуваi определен
вид електрическа енертпя в друз вид електрическа енергпя. Ко
пни електронната лампа или фанзисторы усилва електрическня
пл нал, шва става за смегка па мощност га па захраиващия из-
«очник, която се преобразува в полезен щипал. При генерпране на
с.кмрически трешения постоянната електрическа мощност се пре
образува в промен.шва. Диоды, свьрзан в токоизправшелна схс
Mri, преобразува проментивоюковата елгмрическа мощноеi в
ног юяннотокова и т.н
Ouiue.iemринни прибори преобразува) светлипната енергпя
[г е.1еК1рическа или обратно Онгоелек!ронни прибори са фотоди
о.лле, светодиодите, онтронше, елекгронпольчевитт 1ръбп, теле
иниюнните 1рьби и др.
Термиелеклрически прибори преобразуват топлнннага енер
। ня в електрическа или обратно. Къ.м тазп трупа принадлежат еле
менты на Пе.пие, термодвойкнте и др.
IIиезоелектрически и тензомегрични прибори — прообразу ват ме-
ханична нанрежения и премествання велектрнчески ciii na.ni и т н.
I 1 А В А В I О Р Л
Г ' Lk I РОНИ И И НОНН И I \ мн и
2.1. ЕЛЕКТРОНЪТ И ПОВЕДЕНИЕТО МУ В ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПОЛЕ
Глекфоны е маюриална чаыица с определена маса и с паи мал
кия отрицателен елекфическп заряд с/ = 4.8.10 абс едини
ци= 1.605.1(1 11 С (купона) По опитеп ньг е начислено отныне
пието на заряда на електрона кьм неговата маса —= 1,76.10'C/g.
HI
откъдето се определи масата нт = 0,91 1.10 27 g.
Попадании в електрическо поле, електронът изпитва въздейст-
внето на механичната сила на Кулон F и придобива ускорение а.
което се определи по еледния начин:
(2.1) F = —цЁ ; F = та или а = —£ Ё - — 1,76.1(У £, ni/s2,
III
к вдето Е е векторы на интензитета на електрическото поле
Голямага стойност на отношението ц/т характеризира изклю-
чителната подвижност на електрона
На фиг. 2.1 са показами два метални електрода във вид на плочи.
Разпределението на потенциалите между тях по оста х е равномер-
но. Векторы на интензитета на електрическото поле Е. както е из-
вестно, е перпендикулярен на еквипотенциалните линии и е пасочен
о! точки с по-високи потенциали къ.м точки с по-ниски потенциали
Неговата стойност се определи от отношението
Ал
В случая попади равномерпото разиределение на потенциалите
между електродпте Ё има еднаква посока и големина във всяка
точка от пространство™, т. е. електрическото поле е равномерно и
големината на интензитета му може да се определи чрез формулата
£=-^-= —J.V =100.103, V/m
d 1 10 ’ in 7
7
на еквипотенциалните линии.
Фиг 2.1
Ако електрон с нулева начална скорост се намира в точка с нулев
потенциал, съгласно(2.1) той се нривежда в равноускорително
движение по посока на положителния електрод перпендикулярно
асно закона за сьхранение на
енергията нарастването на ки
нетичната енергия на електрона
(ГПи-2 niVl \
— ----—1 става та сметка
2 2 /
на работата, която се извърш-
ва от електрического поле за
н еговото н р е мест ване
qlUi— U\}. те.
(2.2) —£^L=q(U->- (/,)
Ако се приеме начална ско-
рост с.'! = 0 и се положи =
peen. U2— Ui = U, от (2.2) се
получава
(2.3а)
(2.36) =
= 5,93.105 x'U , iii/s.
В равенство (2.3а) енергия
та се изразява в електронвол
ти, а чрез израза (2.36) се оп-
редели скоростта. която при
добива електроньт при пре
минаване на участък с потен
циална разлика U. Така например за случая от фиг. 2.1 електрон ьт
где достигне положителния електрод със скорост с = 5930 km/s и
кинетична енергия 100 eV.
2.2. ЕЛЕКТРОННА И ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМИСИЯ
2.2.1. Електронна емисия
Отделянего на електрони вьв вакуума на електронните ламин ста-
ва от метилен електрод, наричан катод. Процесьт на интензивно
излъчване на свободни електрони от кристалната структура на
метала се нарпча електронна емисия.
На фиг. 2.2 е показан равнинен модел на кристалната решетка
на метала. Както е известно от физиката, всички електрони от пай
външнага електронна обвивка на атомите при мегалите са свобод
нн и се иамират в хаотично движение. Тяхната кинетична енергия
расге с повишаване на температура та. Разпределението на еиер-
riiHia между отделите електрони се подчипява на таконите пгт
квантовата механика. В определени моменти електрони с най-голя-
ма енергия, чието движение е насочено навън от метала, уепяват
да папуенат повьрхността. В близоет до нея се образува тънък
Фиг. 2.2
електронен слой. Отрицателните заряди па гози електронен слой
таедно с положителните некомпенсирани заряди на атомите в ме
тала сьздаваг електрнческо поле с много голям интензитет. То при
чинява връщане на електроните в метала. Едновременно с това
други електрони уепяват да ее откъснаг от метала и да попаднат
в електронния слой. Единични електрони, конто са преодолели спи-
ращото поле на електронния слой, се връщат отново в метала под
действието на притега телните му кулонови сили. С други думи, при
нормални условия собствената кинетична енергия на електро-
ните не достига, за да се осыцестви електронна емисия. Доньлни-
гелната енергия И/», която се изисква за освобождаване на елек-
грони от металната повьрхност във вакуума, е характерна величи-
на за всеки метал и се нарича работа на излитане или отделителна
работа.
За получаване на допълнителната енергия се изиолзуват раз-
личии начини. Например при загряване на метала се получава тер-
моелектронна емисия. Съответният електрод се нарича гермока-
тод. При използуване на светлинна енергия емисията е фотоелек-
тронна. Ако електронната емисия се получава под въздействието
па силно електрнческо поле, емисията е автоелектронна, при бом-
бардиране на катодната повьрхност вторична електронна еми-
сия, и др.
2.2.2. Термоелектронна емисия и гермокатоди
При загряване на метал кинетичната енергия на свободните елек-
трони нараства. При определена температура някои електрони
тобпваг необходимата кинетична енергия и наиускат металната
9
новьрхнос!. Cl повишаване на темпера!урага се увеличава броЯ!
на освободените електрони и елемронната емисия нараствз. Ко
личсч лвено елемронната емисия на термокагодите се оненява чрез
и.гыное! ia на емнсионння ток конто се определи с вс закона па
Ричардсън Дешмън:
и „
(2.4) ),=-ВТ~е ki , А/сш ,
кьдето В е константа, зависета от материала на каюда и от
вида на повърхносгга му;
7 абсолкннага температура на катода. К,
Hv„=. (р|,, работам на излишне. *
,, потенциалът па излишнею;
А —1,38.10 ' .IK констан । ат а на Ьолцман;
е---2.718 основам на на! у рал ни ie .101 iipni мп.
Karo пне се поцряват чрез преврыцане на > noviaraie.iiia елек-
трическа енергпя в тжаулова топ.тина, (люред начина на подавапс
на тази enepi ня каюдпте бивш с пряно отопление н с косвено (пн-
диремио) оюпление
Каюоите с п/тяко отопление са паправенп от волфрамов провод
ник н са оформени така, камо е показано на фиг. 2.3«. И в двата
слхчая oion.THie.THHHT гок иреминава директно през емшпратпя
катод
Kaioiluie с косвено отопление и-зиолзуват доп ьлнителен наг ре
Baie.ieii проводник фиг. 2.36. 11орадп това те имат по-голяма
тонлнпна ннертност, коего те рече. че но-бавно се хстановява гем-
uepaixpaia след включване на огоп.знтелно1о напрежение Ето
зато 1слев!1зионн1пе раднопрпемннцн, в конги нма ламин, се за
действу ват известно време след включване на захранващото на
нреженпе
AhLO
ВолФрамоС кетоО
В зависимое! oi материала и oi технологията на нолучаване
1ермикатоД1Ие бнваI:
1. Термока!odu oi чисти метали. Те се нзрабо!ват най често oi
волфрам и са с нряко отопление. Използуваг се в по-мощниге лам-
ин. Харамеризнрат се евс стабилии емисионни свойства.
10
2 Термокаlodu от активирани метали Прчте ч i ат од и волфра-
мовата повърхпост се активира с юр г -и i 1 блей посредством
i пгциална термообработка. Отличаваг се с нс ма тка работа на из-
лнгагге наелектроните и възможност за врилагагк на косвено отоп-
и нне (вж фнг. 2.36) Недостат оке ч\ветвителността им към пре-
грянане, при коею ю губг. частично пли изцяло емисионните си
i гюйсгва.
5 Окисни катоди !с сс съсюят от металла сьрцевина, вьрху
коню се нанося катин Емиснята се нолучава при най-ниска тем-
пература на загрявапс в (равнение с останалите видове катоди,
поради коею а единица емисиопен ток е необходима мипималпа
oiоплителна мотност. Какго при активираните катоди, и тук се
и(Ползува косвено отопление.
2 3. ДВУЕЛЕЮ ГОДНА ЛАМПА (ДИОД)
2 3.1. Устройство и принцип на действие на диода
Чнуелектродната лампа или диоды е пай простата електронни
г.гмпа, коню първа намира приложение в радиотехниката. На
фш 2.4 е показан вариант на токоизправителна лампа (кенотрон).
В ( I ьклен балон I са помесгени катод 2 и цилиндричен анод 3. За
\ гобно включване в схемиге балонът на лампата се закрепва па
пог ь.т от изолационен материал 4, в конто са запросу ваий мет алии
крачета 5. Към тезн крачета са запоени изводите проводници от
(. гектродите на лампата. За ио-добро охлаждапе на анода са пос
1.1ВСНИ охладптелни ребра 6. Изводът за анода се взема ог «качул
кага» 7 на лампата.
Много важно за нормалната работа на електронните лампи е в
бл.тона да се създадат условия, близки до вакуум. За целта възду-
\ । т oi салона първоначално се изпомпва, а след тона се разпраша-
в«-и спепиални материалн, конто поглъщат голяма част от остана
лиге след нзиомпването газови частици. Ако по някакви причини
лампата ст разхерметизира, газовиге частици па вьздуха се йони
oipai, бомбар тират катода и го разрушават. Лампата нзлиза от
троя и балоньт й побелява.
Условннте означения на диоди с пряко и косвено отопление са
га тени съответно на фиг. 2.5о, б.
I (риннинтл из действие на двуелектродната лампа може да бъде
обяснеи с номотта на схемата на евързване от фиг. 2.6.
('хемата на евързване съдьржа две електрически вериги. Чрез
отоплшелнаIа верига се доставя електрическа енергня, с конто се
подгрява катод гл до необ.ходимата температура. Втората елекгрн-
чг ска верига е аноднати Чрез нея сс ггодава положигелно наире
жение на анода спрямо катода, което може да се измени с клеи
/*А \
(БИ»’ и JTKVA I
\ТрЭ|> у
циометъра RP or 0 до Еа. Потенциалы на катода се приема за ну-
лев и спрямо него се отчита напрежението на анода Ua.
Възможни са 4 типична случая.
1. Лодадено е положително напрежение на анода, но катодът
не е подгрят. Понеже липсва електронна емисия, вакуумното про-
странство на лампата е изолатор и ток във веригата не протича.
2. Катоды е нормално подгрят и се осъществява термоелекгрон-
на емисия, но чрез потенциометъра RP е установено напрежение
(Уи = 0. Тогава в близост до катода се сьздава отрицателен прост-
ранствен заряд и спиращо електрическо поле за излитатите от пе-
го електрони. По-голямата часч от тях се врыцат отцово към като-
да, а незначителна част, притежаващи достатъчно голяма кине
тична енергпя, успяват да стигнат до анода. Във външната верига
протича много малък ток /„у, наречен начален (фиг. 2.7).
3. Повишава се анодното напрежение - Ua> (). Във вакуума се
сьздава електростатично поле, което спомага все по-голям брой
електрони да преодолеят спиращото електрическо поле на прост
ранствения отрицателен заряд около катода. Токът във външната
верига нараства, така както е показано на волт-амперната харак-
теристика на диода, изобразена на фиг. 2.7. При достатъчно голя-
мо напрежение на анода в лампи с волфрамови кагоди се получава
участък на насищане за анодния ток. Това се дължи на изчерпване
на всички електрони от пространственна заряд около катода. В
случая анодният ток се ограничава от термоемисионния ток на
катода.
12
I. Към анода се подава отрицателно напрежение - ток във
и шпината верига не може да протече, тъй като във вакуумного
пространство се сьздава спиращо електрическо иоле за емигирани-
ic от катода електрони. Ако обратного напрежение ее увеличи пре-
комерно, вьв вакуумного пространство насгъпваг електрически
пробиви и ламиага излиза ог сгроя.
Нринципъг на протичане на гок в двуелекгроднага лампа може
га се обобщи но следния начин
()гоплигелнага верига на кагода оеигурява непрекъснага емисия
13
на електрони от катодната повьрхност. Положигелното анодно
папрежение нривлнча течи електрони към анода, а въишпияг и з-
гочпик Еа доставя в катода сьщия брой електрони. Технического
посока на тока е обратна на посоката на движение на електрона ге.
Гокьт «влиза» в анода и «излиза» от катода.
Когато кьм анода се подаде отрицателно папрежение, ток вьв
веригата не прогича. От казано го е ясно, че диоды пропуска ток
само в една посока. Когато диоды пропуска ток, ее казва, че гой е
отпущен, а когато не пропуска запушен. Гова основно свойство
на диода се нарича диоден (вентилей) ефекг. Именно точи ефект
се ишолзва за преобразуване на променливо папрежение в по
сгоянно.
Волт-амперната характеристика на диода се апроксимира с
г. нар. закон за степента 3/2:
(2.5) lu = kL/ai2,
кьдето k е константа, конто завися от конструктивно технологич-
ните параметра на лампага.
Тази апроксимация е валидна за средняя участок на реалпага
во л т- а м и е р и а характеристика.
2.3.2. ОсноЬни параметри на диода
Основни електрически параметри на диода, свързани с волг ампер
ната му характеристика, са диференциалното вьтрешно сьвротив
ление /?, и вътрешного сопротивление за постоянен ток Ru.
Диференциалното вьтрешно съпротивление R, се определи кд го
отношение на малки изменения на напрежението и на тока около
зададена върху волт-амперната характеристика рабогна точка:
(2.6) R, = ^~
Иц
Параметры R, мо:-ке да ее определи графо-аналитично чрез
। пар. характеристичен грпыьлник фш. 2.7.
Вътрешного съпротивление за постоянен гок R., се оире теля к н о
отношение па напрежението и тока за определена точка от >н
а м п е р н а г а х а р а к ге р и с г и к а:
(2.7) .
'а
Нелпнейносгта на волг ампернага характеристика оире те 1я тпл
чителнага зависимосг на диференциалното и постояннотокового
вьтрешно сопротивление на диода от гочкага. за конго еа опреде
лепи. Тази характерна особенос г е валидна за диференциалци ге
параметри на всички елекгронни и полупроводников!! нрнбори с
нелинейни характеристики.
14
Гранично-експлоатационни параметри на диода са: максимално
допустима загубна мощност РОЛ1ах, максимално допустима ампли-
туда на анодния ток /ап)а,, максимално допустим изнравен гок
и максимално допустима амплитуда на обратного папрежение
В практнческите схеми електрическите величипи че опит >.а пре-
вишават но стойност гранично-експлоатацйоннигс пара ри на
елементите Така например разсеянага върху анода донц ост при
постоянен ток и папрежение е Р.л— UJU. Гя се пр образува в Топ-
лина и загрява анода и общия обем на лампага. Г ыбза да е изпъл-
нено условие™ Ра <. Ритгл
2.4. ЛАМПОЙ ТРИОД
2.4.1. Устройство и принцип на действие на триода
Лампоеият триод е триелектродна лампа. Той се различава от лам-
повия диод по наличието на трети електрод, наречен решетка.
Триодът може да усилва електрически сигналя.
На фиг. 2.8 е показано устройство™ на мощен триод с въздушно
охлаждане на анода, а на фиг. 2.9о типична конструкция на ма-
ломощно триоди. Условного означение на триодите е дадено на
фиг. 2.96.
Решетката представлява проводникова спирала, разположепа
в много голяма близост до катода Това определи ефективното вьз
действие на потенциала й върху стойността на анодния ток. Его
15
защо допълннтелният електрод се нарича още управляващ. Обик-
новено на него се подават отрицателни напрежения.
На фиг. 2.10 е дадена схема на свързване, при която могат да се
изменят анодного и решетъчното напрежение и да се отчита влия-
нието им върху стойността на анодния ток.
Фиг. 2.10
От една страна, спираловидната решетка въздействува пряко
върху интензитета на спиращото електрическо поле на електрони-
те, излетели от катодната повърхност. Това позволява ефикасно
управление на анодния ток От друга страна, решетката не позво-
лява проникване на електростатичното поле, създадено от положи-
телния анод, до катода, т.е. действува екраниращо. По този начин
се намалява влиянието на анодного напрежение върху анодния ток.
Описаното действие на решетката и анода определят най-важно-
то свойство на триода — свойството да усилва електрически сиг-
наля. Връзката на анодния ток с решетъчното и с анодного напре-
жение се дава с израза
(2.8) la=k(Ug + DUu)3/2,
където k е константа;
D — коефициент, наречен проницаемост на триода.
Стойностите на проницаемостта са значително по-малки от еди-
ница (0,01 — 0,1), с което се обяснява по-слабото влияние на анод-
ного напрежение върху анодния ток спрямо това на решетъчното
напрежение.
2.4.2. Характеристики и параметра иа триода
Схемата на свързване на триодна лампа — вж. фиг. 2.10, съдържа
две основни електрически вериги — анодна и решетъчна.
16
Врьзката между решетъчния ток и решетъчното напрежение се
определи с т. нар. решетъчни характеристики = При отри-
н нг.чни напрежения на решетката решетъчният ток практически
• щла. При положителни напрежения решетъчната характеристи-
ка паподобява анодната характеристика на ламновия диод.
От (2.8) следва, че анодният ток е функция на две променливи -
/„ Uа), и връзката между тях може да се изрази с две се-
ли цетва статчни характеристики:
l" = f(Ug) ;а Uu — const — анодно-решетъчни характеристики;
— за Т/й = const — анодни характеристики.
Китаю коефициентът k и проницаемое ста I) са известии, двете
семейства сгатични характеристики се определят от уравн. (2.8).
Но параметрите k и L) не са постоянна величина в достатъчно ши-
роки граници за токовете и напреженията. Това води до значител-
IIH । решки. Ето зато статичните характеристики се снемат експе-
римептално и данните им се дават в енравочниците за съответния
uni триод.
Па фиг. 2.11 са дадени характеристиките на триода 6Н8С. Те
ни вьрждават разгледаните явления в гриодната лампа. Анодно-
решетъчни те характеристики се из.местват вляво ври увеличаване
и.। пюдното напрежение. За по-високи анодни напрежения е необ-
ходимо но-голямо отрицателно напрежение на решетката, за да се
приостанови протичането на анодния ток или както се казва да
ч тапуши ламната.
(>сновнн електрически параметри на триода, евързани със ста-
। пчппте характеристики и обусловенн от физичния принцип на дей-
। тис на триода, са: стръмността S, статичнияг коефициент на
v ндване ц и вьтрешпото сопротивление R,.
< Iръмността предста-
II шва измененною на
анодния ток, предизвика-
цо oi изменение на на-
ире женнето на решет ка-
II г 1 V, при постоянно
а водно напрежение:
(2.9а) 3 = — А \
V
la (fu = const.
5а трнодите S= I Ч 10
in А \ Ако S — 1 hi А , \
|ива ноказва, че измене
undo на И,, с I V предизвиква изменение на анодния ток с 1 mA.
Коефициентът на усиаване ц показва какво изменение на анот
1 н*юронни и полчпронидниКОВИ прибор*!
17
ною нанрежение e необходимо, гака че при изменение на решегьч-
ното нанрежение с 1 V анодннят ток да се запазн постоянен:
(2.96) ц = ~и за /и = const.
С други ду.ми, коефнциентът р ноказва колко ньтн е но-слабо
въздействието на анодною нанрежение вьрху анодния ток снрямо
въздействието на решетъчното нанрежение. Той е обратно пропор-
ционален на 1)(р = \/1)]
Вътрешното иъпрч!ивление R, озразява влиянието на анодною
нанрежение вьрху анодния ток и ноказва какво изменение на
анодного нанрежение е необходимо за единица изменение на анод-
ния ток:
(2.9в) R, = ^- . <> за ^^consl.
За триоднте R, = 1 3- НИ) кУ.
Ако се умножат S и R,, дадени с изрази (2.9а) и (2 9в), за (2.96)
се нолучава |1 = 5А', Тази връзка между трнге нарамегьра се на-
рича нътрешно уравнение на триода.
Параметрите .S’, р и R, ногат да се определят графо аналитично
от статнчните характеристики на триода аналогично на вьгрешио-
го еьпротивление R:, peen. S на диода.
2.4.3. Динамичен режим на триода
Триоды работа в динамичен режим, когато в анодната му верига
се включи резистор. Тогава се нроявяват усилвателните свойства
на триода. Електрически сигнал, подаден във входната (решетъч-
ната) верига, се нолучава усилен върху товарная резистор Ru.
Усилването е за сметка на постояннотоковата енергия, с която се
захранва лампата.
Нека да раэТледаме схемата на фиг. 2.12. В решетъчната верига
на лампата е включен токоизточникът Ей, като чрез потенциоме-
търа RP може плавно да се регулира отрицателното нанрежение
на решетката Ug. Анодната верига на лампата езахранена от анод-
ния токоизточник Еи през товарния резистор Ru. Когато напреже-
нието Uj. има достатъчна отрицателна стойност, лампата е запу-
шена и аноден ток не протича. Тъй като падът на напрежението в
товарния резистор URu=la • R« при юва положение е пула, следва,
че анодною нанрежение ще е равно на напрежението на токозах-
ранващия източник Еи. Чрез премеетване на плъзгача на потен-
циометъра RP може да се намали отрицателното нанрежение на
решетката. Тогава се появява аноден ток, който се увеличава тол-
кова повече, колкото е по-малко отрицателното нанрежение на
решетката. Едновременно с увеличаването на анодния ток се уве-
личава падът на напрежението в товарною еьпротивление Ru. И
тъй като напрежението на токоизточника Еа е постоянно, следва,
18
че me се намалява напрежението Uu на анода спрямо катода. Това
е най-сыцествената разлива между статичная и динамичная ре-
жим на триода. Включването на товарен резистор в анодната вери-
। а е причина да се измени потенпиалът на анода спрямо катода при
изменение на анодния ток. При това колкого повече се увеличава
анодният ток, толкова повече анодното нанрежение намалява и
обратно.
Като се изнолзува вторият закон на Кирхоф, за анодната верига
може да се занише
/?и ~Ь URii + (Д, = 0.
ш к вдето се нолучава връзката между двете изменящи се величини
I , и 1и:
(210) =
()г (2.10) се вижда отново, че когато анодннят ток се увеличава,
.Hio'iHoTo нанрежение намалява и обратно. Уравн. (2.10) предста-
II шва уравнение на права линия. Гя се нарича тиварна права и мо-
же да се начертае в полето на статичните анодни характеристики
(фиг. 2.13). За целта е необходимо да се намерят две точки от пра-
ii.ua. Първата се намира, като се положи /и = 0. Тогава съгласно
('-’ 10) Uu — Eu и се нолучава т. М върху абсцисната ос. Втората
к>чка от правата може да се получи или като се положи Пи = 0, или
к.| I о се зададе производно изменение на напрежението Wu, кое-
к> се панася наляво от т. М. Оттук по перпендикуляр нагоре се на-
Miip.i втората точка на товарната права за ток /„ = AUU/Ru-
I ьй като стойностите на анодния ток и на анодното напрежение
\ |<>в.четворяват едновременно уравнение™ на товарната права и
। I.иичните анодни характеристики, следва, че работайте точки са
ючкнге на пресичане на тази права със съответната характерис-
1ИК.1 Ако при така онределената товарна права на решетката на
19
luvinaia ее подале огрицагелно напрежение /ф — 5 \, .iiuuiiiimi
гок ще е равен на пула, а анодного папрежение ще бъде , тън ка
то падът на напрежението в Ra е пула. Когато се намалява отрица-
телното папрежение на решетката по абсолютна стойност, поя
Фиг. 2 13
вява <:е аноден ток, конто се \величава \ величава ее и налы /„/?.,
а анодното папрежение се намалява, тьй като Ua — £'« - l«Ru- Ако
на решетката се установи отрицателно напрежение (Д = —2 V, при
избраната стойност на резистора Ru може да се определи работна
точка А. В резистора /?,, ще съшествува постоянен над на нанреже-
нието 100 V, а анодного напрежение те бьде 150 V
Динамичният режим на работа на лампага може да се отрази и в
нолето на статичните анодно-решетъчни характеристики lu = f(U.,)
чрез построяване на г. нар. динамична анидно-решетъчна харак-
геристика. Тя дава връзката между анодния ток и решетъчното
напрежение при определено съпротивление па товарная резистор.
Отчита се изменение™ на анодния ток = за Ra^0. Това
става, като от точките на пресичане на товарната нрава сьс ста-
тичните анодни характеристики се намират аподните токове и
съответствуващите напрежения на решетката. конто се нанасят
за всяка точка в полето на анодпо-решетьчпите характеристики
(фиг. 2.13с;). Динамичната анодно решетъчна характеристика
има по-малка стръмност от статичните. гьй като с увеличаване на
анодния ток (което се получава при намаляване на огрицателното
напрежение на решетката) се намалява анодното напрежение н
динамичната характеристика пресича статичните, сьответствува-
щи на по-ниски анодни напрежения.
20
2.4.4. Триоды като усилвагел
На фиг. 2.14 е дадена приициината схема на свързване на триода
каю усилвател на нроменливо напрежение. В решегьчната верига
। включени иоследовагелио ностоянногоков изгочник /:'к„ и източ-
ипк на ноле ген сигнал Прието е, че еч е сьс синусонлиа форма
и се харакгеризира с амплитуда и ьглова честота ю = 2л/. Чрез
/ се сьздава постоянно огрицагелно напрежение на решетката.
Фиг 2.15
наречено нреднапрежение. Рабогата на лампата като усилвагел
и посгрирана посредством динамичната анодно-решегьчна
|р-1Мерисгика и статичните анодни характеристики с товар
Илы права, показали на фиг. 2.15. При липса на променлив
сигнал нанрежението па решетката е //.,.= -£й.> = — 2 \ и се уста
новява рабогната точка .1' върху дннамичната анодно-решегвчиа
характеристика с установен постоянен ток (фиг. 2.15а;. Когато
се подаде иромепливия! сигнал, нанрежението на решетката става
(2.11) iio = - Ьцч 4~ еи = /.йи Ь f '..„.siiiw/.
т. е. заночва да се измени но синусоиден закон около сюйноетга
За ноложителната нолувьлна на спнуеоидното напрежение
отрицат одного напрежение на решетката се намалява и аноднияг
ток се увеличава, за да достигне нърхова сгонност /„, свог
вегсгву ваша на минималното отрицагелио напрежение на решет-
ка га. Когато на решетката иа ламиата заночва да денетвува огри-
цателнага нолувьлна на спнуеоидното напрежение, анодния! гок
намалява. кат о изменения га му с.тедват синусоидная шкон на из-
менение на решетъчното напрежение 1 отава за анодния нж може
да се нанише
(2.12) )u = /ull 4-/„.„siiH»Z.
Формула (2 12) определи моменгнага стойност на анодния
!ок. (’ ьвсем очевидно е, че /и има две с вставки, посгоянногокова
чиню сюйност не завнеи от времето, и променливотокова
/,,..,ы1Ни/ Ог фш. 2.156 могат да се видят измененияга н на анод-
ного нанреженне. От нреенчането на товарпата нрава с вс статнч-
naia характеристика при ш,= —2 V се определи ноет онино гокова-
га рабогна точка .4, характеризирагца се с аноден ток /, и анодно
напрежение t»u„ —£u- lal.R, За ноложителната полувълна на про
менливия сш нал на решетката рабогната точка ее придвижва ка-
горе ко юварна)а нрава, за да синие в г. С нреенчането с анод-
ната характеристика га и,,— — 4-В случая ,,„ = ().
Нанрежението иа намалява по сииусоиден закон с времето и доби-
ва миннмална стойност б'иш1„ = ('.<„< За отрннателната нолу-
вьлна на иромепливия входен сигнал рабогната точка се придвиж-
ва по говарната нрава иадолу ог г. .4, зада достигне в i. В нре-
сичанедр на говарната нрава сьс статнчпага характеристика и^ =
= - £«,1— — 4\ Напрежениею се увеличава и достша
м а к с и м а л на с то и н ос 1
= “f" unt-
Аналогично на анодния ток анодною напрежение може да се
разглежда като сума от две с вставки: постоянна —t/u0> върху коя-
то се наслагва нроменливата L'a^_ —I Последната нред-
шав.тява полезного, усилено <и ламиата напрежение. Очевидно
Камо cv вижда от графичното изображение на действието на
ламиата каго усилвател, когато на решетката се нодава положи-
гелна полувълна на променливия сигнал, анодното напрежение
намалява,т. е. палице е отрицателна полувълна на променливото
напрежение на изхода и обратно. Следователно ламиата обръща
фазата на усиленого напрежение на 180° спрями нанрежението,
нодадено на входа. Отделянето на променливата съставка на анод-
ного напрежение от постоянната се извьршва чрез кондензато-
ра С, показан с прекьсвана линия на фиг. 2.14. Тьй като конденза-
горът не пропуска постоянная ток, за изходното напрежение се
получава
(2.1 3) = ии „ — Uumsinu)t.
2.5. ДРУГИ ВИДОВЕ ЕЛЕКТРОННИ ЛАМПИ
Гетрод и пентод. За отслабване на влиянието на анодното напре-
жение върху анодния ток са конструиранп четириелектродни лам-
ин (rerpudu) и петелектродни ламни (пенгоди). Допълнителните
решетки на тези лампи действуват екраниращо на силовите линии
и.। полето около положите.'! ния анод и неговото влияние вьрху
шитпня ток е много слабо. Това се вижда и от показании, на
фш. 2.16 анодни характеристики. Екрапирапцио денсише на н>
нълнителните решетки намалява в значителна стелен капацинча
между управляващата решетка и анода, което стабилизира рабо-
тата на лампата при високи честоти.
Фш 2.1/
Условните означения на тетрода и пентода са показани на фиг
2.17а, б.
Комбинирани лампи. Комбинираните лампи са конструктивно
сочетание на няколко лампи в един стъклен балон. Такива са двой-
ният диод, двойният диод — триод (фиг. 2.17е), двойният триод
(фиг 2.17г), триод хептодът (фиг. 2.176) и т.н.
2.6. ЙОННИ ПРИБОРИ
2.6.1. Физични явления в йонните лампи. Видове йонни лампи
Електронните нрибори, в конто електрическият ток протича в газо-
ва среда и настъпва електрически разряд в газа, се наричат газо-
разрядни или йонни прибора. Като газова среда се използуват
инертните газове неон, аргон, ксенон или живачни пари, тъй като
те не взаи.модействуват химически с електродите на лампата и на-
лягането се запазва неизменно. Обикновено то е между 1,3 и 13 Ра.
Когато някои свободни електрони получават достатъчно големи
ускорения, сбл ъсквайки се с атомите на газа, те са в състояние да
ги йонизират. По такъв начин се получава електрически разряд,
характеризиращ се с наличието на положителни йони и отрицател-
ям електрони.
В зависимост от източника на първоначалните електрони се раз-
личават два вида разряди: самостоятелен, при който се използу-
ват първични електрони, получени от частичка Ионизация под дей-
ствието на космични лъчи и земната естествена радиация, и неса-
мостоятелен, при който източникът на електрони е външен, напри-
мер отопляван катод. 1_Це разгледаме характеристиката на само-
стоятелния разряд и явленията, конто се развиват в стъклен балон,
в който е създадена подходяща концентрация на инертния газ
24
(фиг. 2.18). Ако постепенно се увеличава анодното напрежение и
ее изследва изменение™ на тока, може да се снеме волт-амперната
характеристика, която има вида, показан на фнг. 2.19а. На нея мо-
гат да се различат шест характерно участъка. В участъка АВ съ-
шествува правопропорцио
нална зависимост между то
ка и напрежението. Ускоре-
ните първични електрони из-
биват вторични електрони от
атомите на газа, чийто брой
параства пронорционално с
нарастване на кинетичната
енергия на пьрвичните елек-
।рони (приложено™ напре-
жение) . Проявява се г.нар.
тъмен или тих разряд, при
който плътността на тока в
гръбата достига до 10 ь
А/ст2.
Участъкът ВС е характе-
Фиг. 2 16
рсн с развиване на лавино-
образен процес на ионизация. Първичните електрони, конто се на-
мпрат в близост до катода, се ускоряват твърде бързо, нзбиват по-
ни електрони, конто се ускоряват отново и т.н. В резултат се появя-
наг значителни обемни заряди в пространство™ около катода, ин-
1ензитетът на полете там се увеличава, а напрежението спада ряз-
ко. Плътността на тока е от порядъка на 10 10 1 А/спг. Този
учаегьк е нестабилен. Със скок се преминава в областта CD, конто
i е нарича облает на нормален тлеещ разряд. Поради интензивната
ионизация и рекомбинацията се появява светене в пространство™
около катода (при рекомбинация на електрони с ноложителнн йони
н- освобождава енергия, конто се проявява като светене). Свете-
|цнят участък се съсредоточава във вид на малко петно върху ка-
годната повърхност, като площта .S' на това петно нараства с уве
тнчаване на тока (фиг. 2.196). Поради това плътността на гока
<ч заназва постоянна и най-сыцественото следствие е, че напре-
жението между анода и катода остава почти неизменно.
Областта DE е облает на аномален тлеещ разряд. Катодната
повърхност е изцяло заета от светешия участък. Увеличаването на
тока е сънроводено с нарастване на иада на напрежението в лам-
пата и с увеличаване на интензивността на светенето. При увели-
чаване на плътността на тока до 1 А/спг в резултат на интензивна
бомбардировка на катода оттежките йони неговата температура се
повишава и възниква термоелектронна емисиЬ. От областта на не-
стабилно състояние ЕЕ се преминава в областта ЕН, конто се ха
рактеризира с появата на термоелектронна дъга. Интензивна еми-
сия от катода може да се нредизвика и от силно увеличения интен
зитет на електрическото поле около катода. Това явление се нарича
автоелектронна дъга. Характерна за дъговия разряд са силната
ионизация и появата на четвъртото състояние на веществого га
зоразрядна плазма. Тя се характеризира с безкрайно голяма про-
водимое!, поради което в нея не може да се създаде потенциална
разлика, т.е. не може да съществува интензитет на електрическото
ноле. Освен това падът на напрежението между анода и катода
рязко спада (от няколкостотин волта при тлеещия разряд на ня
колко десетки волга при дъговия) Това се дължи на създадената
йонна плазма, поради което падът на напрежението се нолучава
в едно тясно пространство около катода (фиг. 2.18а). Тъй като
интензитетът на полето между две точки се определи (в най-прос
тия случай на равномерно поле) от отношението на потенциалната
разлика между тези две точки и разстоянието между тях, в бли
зост до катода независимо от малкия над на напрежението се съз-
дава твърде голям интензитет, конто е достатъчен за поддържане-
то на йонизационните явления, характерна за дъговия разряд.
При несамостоятелния разряд става нспосредствено преминава
не от тих разряд в дыов.
Лопните лампи със самостоятелен тлеет разряд се наричат още
лампи със студен катод. Към тях спадат газовият стабилитрон,
тиратроньт със студен катод, газосветещите, индикаторните и сиг-
нал пите лампи.
Г азотрините и тиратроните представляват йонни лампи с отоп-
ляван катод. При тях се използува несамостоятелен дъгов разряд
Газотроны1 е двуелектродна лампа, а тиратропът триелектрот
па. Използуват се каго мощни токоизправители. Сега са изместе
пи от полупроводниковнте диоди и тиристори, но някои мощни пре
даватели все още са снабдени с газотронни и тиратронни изпра-
вител и.
2.6.2. Индикатори на радиоактивни и рентгенови лъчения
В последно време твърде голимо приложение в промишлеността
намират рентгеновите лъчи и радиоактивните лъчения
26
Гамалъчите се иолучават при разиадане на неу сроните на прото-
ии и електрони или при тяхното съединяване в неутрални частици.
Гамалъчите иредставляват кванги електромагнитна енергия. В
ггхническите устройства за гамаизлъчватели се изнолзуват радио-
активннте изотопи кобалт-60, цезий-137, европий 154, иридий-142.
Много елементи одновременно с гамалъчи излъчват и беталъчи,
конто иредставляват електрони, получени в резултат на разцеива-
не на неутроните. Изотопи, изл ьчващи предимно беталъчи, са ко-
балт-40, стронций-90, цезий-134, цезий 144.
Алфалъчиге иредставляват поток от хелиеви ядра, конто се от-
селят от тежкиге елементи радий-226, радон-222, уран-235 и др.
1е се изнолзуват ио-рядко. тъй като имат по малка ироникваща
способност и са но-скъпи.
Приборите, конто се изнолзуват за откриване на а-, (5-, у-
частици, са йонизационната камера, пронориионалният брояч и
Гайгер-Мюлеровият брояч. При тях се използува принципът на
ионизация на газ в затворен съд. В резултат на тази Ионизация
протича ток през външната електрическа верига. На фиг. 2.20а
< дадена камера, напълнена с някакъв газ, в конто са поместени
сва електрода. При попадане на радиоактивна частица се полу
чава ионизация на газа. Положителните йони и отрицателните
електрони се привличат съответно към катода и анода, в резултат
па което през резистора протича ток Този ток след усилване мо-
же да се измери. Когато приложеного външно нанрежение е по
малко от определена стойност, получените токоносители са с по-
малко ускорение и известна част от тях рекомбинират, нреди да
юстигнат до електродите (участък / на фиг. 2.206). В участък /
юкът нараства с увеличаване на напрежението След това настъп-
и.| насищане всички получени токоносители достигат до елск
। родите (участък 2) В този участък а.мплитудата на токовия им
нуле не завися от приложено™ нанрежение, нозависи от йонизнра
шага способност на попадналата в камерата частица Частник
със слаба йонизираща способност предизвикват съответно по-слаб
токов импулс. В този случай се казва, че нриборът работи като
йонизационна камера и се нарича йонизационен брояч (детектор
на радиоактивни частици). Той служи за измерване на рентгено-
ви лъчи и алфалъчения. Когато анодното напрежение нарасне
над определена стойност, първичните електрони добиват достат ьч
но голяма кинетична енергпя и по пътя си към анода предизвикват
допълнителна ионизация. Получава се газово усилване, при коего
нълният брой на електроните и Йоните е пропорционален на броя
на първичните електрони (участък 3). Прибори, конто използуват
тази облает, се наричат пропорционални броячи. Те служат за из-
мерване на скоростта на неутроните. При достатъчно нарастване
на нанрежението първоначално освободените електрони нредиз-
викват лавинообразен процес на ионизация и се появява самостоя-
телен разряд. Тогава всяка йонизираща частица, понаднала в ка-
мерата, нредизвиква един и същи импулс на тока, определен от
възникването на самостоятелния разряд и независещ от йоиизира
щата способност на частицата. В Гайгер-Мюлеровия брояч се из-
ползува този режим на работа. С него се измерва интензитетьт
на гама- и беталъчението. Тъй като броячът трябва да регистри
ра всяка влизаща в него радиоактивна частица или квант, за нор
малната му работа е необходимо: 1) първичните електрони, въз-
никнали от всяка частица, да предизвикват самостоятелен разряд,
който да се регистрира на изхода като токов импулс; 2) възможно
по-бързо да се извършва гасенето на разряда и дейонизацията,
за да може броячът да отчете следващ импулс. Това може да стане
по два начина. При ньрвия начин в анодната верига се евързва
високоомен товарен резистор. Големият над на нанрежението в
резистора намалява анодното напрежение до такава степей, че
разрядът се преустановява. Вторият начин е създаване на такива
физични условия в камерата, при конто разрядът след възниква-
нето си гасне самопроизволно. Тези броячи се наричат самогася
щи се.
2.7. ЕЛЕКТРОННОЛЪЧЕВИ ТРЪЕ>И (ЕЛТ)
2.7.1. Принцип на действие и класификация
Електроннол ьчевиге тръби са електронновакуумни прибори, в кон-
го електрически сигнали се преобразу ват в светлина. За целта се
фокусира и ускорява тънък сноп от електрони, конто бомбардира г
екран, покрит със специално вещество луминифор. Отдадената
ог електроните кинетична енергпя се превръща в светлина на
мястото на бомбардировка!а се получава светла точка. Чрез сне
циални система електроннияг сноп може да се огклонява в хори
зонтална носока (отклонение но А) и във вертикална носока (от-
клонение но У).
26
В зависимост от начина на фокусиране и начина на отклонение
па електронния лъч ЕЛТ биват:
с електростатично управление;
с магнитно управление;
с комбинирана система на фокусиране и отклонение на елек
।ронния лъч.
Според функционалното си предназначение ЕЛТ се деляг на
гледните групп:
осцилосконни тръби за наблюдаване на периодичны или еди-
ничны електрически сигнали; изнолзуват се в осцилоскопите, кон-
го са най-универеалните измервателни средства;
индикаторни тръби за регистрация на електрически сигнали
и радиолокационните и радионавигационните устройства;
кинескопы, предназначены за преобразуване на електрическия
юлевизионен сигнал в светлинно изображение.
2.7.2. Устройство и принцип на действие на ЕЛТ
с електростатично управление
Нринпинного устройство на ЕЛТ с електростатично управление е
показано на фиг. 2.21. Тя се състои от три основни части: електро-
iidi прожектор, отклонителна система и скрап.
Фиг. 2 21
Електронен прожектор. Той се състои от катод А, управляващ
слектрод IV' (нарича се още веиелтов цилиндър) и аноды .41 и А->.
Всички те образуват две имерсионни лещи
Нървата леща се образува от катода К, унравляващия електрод
U" и първия анод Тази електроннооптична система може да се
иарече и имерсионен обектив, тъй като катодът представлява
обект — източник на електронните лъчи. За разлика от обикнове-
ните електронни лампи. при конто активната повърхност на като-
да е цилиндричната му повърхност, тук активен елемент е само
малкият кръгъл диск върху челната му страна. Точно срещу този
диск е раЗположен тесният отвор на унравляващия електрод. Ко-
личество™ на електроните, прелитащи през този отвор, т.е. интен-
зитетът на лъча, намалява с увеличаване на отрицателното напре-
жение на унравляващия електрод. Това се обяснява с връщане на
част от електроните обратно към катода.
Предназначение™ на първия анод А, е да ускори електронния
лъч, а също така и да ограничи напречното му сечение с помощта
на една или повече диафрагми с отвори. Ето зато областта между
унравляващия електрод и първия анод се нарича облает на пред-
варително фокусиране на лъча, а самата първа леща леща за
предварително фокусиране.
Втората леща на прожектора, наречена главна имерсионна, е
образувана от ускоряващото поле на първия анод А । и втория анод
А,- Тъй като в това поле електроните навлизат със сравнително
големи скорости, за фокусирането на лъча е необходима юляма
потенциална разлика между анодите. Най-често се избира (At —
= (0,1 4-(),3)б/«2, като напрежението на втория анод Uu> е в грани
ците между 800 и 5000 V, а самото фокусиране се осъществява
чрез изменение на напрежението на първия анод. Като цяло еис-
темата на двата анода има действие, подобно на това на една съ-
бирагелна и една разсейваща леща, крайният ефект на което е
фокусирането на лъча в една достатъчно отдалечена точка на ек-
рана.
Отклонителна система. В най-елементарния случай електроста-
тичната отклонителна система се състои от две двойки успоредни
пластини, разположени взаимноперпендикулярно (фиг. 2.21) За
да не се наруши фокусирането на лъча, ередният потенциал на
електрическото поле между всеки чифт отклопяващи пластини
(т.е. по оста на тръбата) трябва да бьде равен на анодния потен-
циал UU2- От гледна точка на безопасносгта при работа по една
отклоняваща пластина от всяка двойка и вторият анод се заземя-
ват, а останалите електроди на прожектора нолучават отрицателен
потенциал. Характерно за този вид тръби следователно е това, че
тук се заземява положителният полюс на анодния токоизточпик
(вж. захранващия делител от фиг. 2.21).
На фиг. 2.22 е показана само една двойка отклоняващи пласти-
ни. Пластината УЗ е съединена със средната точка на токоизточни-
ка. Този токоизточник захранва потенциометъра RP, чийто плъз-
гач е съединен електрически с пластината УАко плъзгачът на
потенциометъра се измести по такъв начин, че У । да стане иоложи-
30
н nia ио oi ношение на ) e.ieKipoHiniHi льч me ie oik.ioiih кьм
) । Светлинната точка А на екрана на тръбата ще ее измести в Д'
\ко К) стане отрицателна но отношение на ) '>, светлинната точка
ine займе ноложението А" Отту к следва. че ако на ) । се подават
Фш 2 23
п<>. шли ।сани или oipuna iслип напрежения спрями ) _. свсиипна i а
ючка на екрана може да бъде из.мествана вертикал но нагоре или
надолу.
Хоризонтално разноложените отклоняващи пластини причини
наг вертикално отклонение на светлинната точка. По аналогичен
начин вертикално разположените отклонителни пластини A'iX-j при
чпняват хоризонтално отклонение на лъча.
С помощта на двете двойки отклоняващи пластини светлинната
ючка може да бъде измествана но всички направления на екрана.
В схемата, показана на фиг. 2.22,активно действува само откло-
няващата пластина У(. Този начин на отклонение се изнолзува
чопкновено при малките електроннолъчеви тръби. При тях пла-
< шпата У2 е свързана електрически с втория анод вътрешно. На
фиг. 2.23 е показан случай на симетрично отклонение. Изнолзува
се двоен нотенциометър, чиито пльзгачи се движат в противоно-
|<>жни посоки. При това положение, когато пластината У\ е ноло-
кигелна, } 2 е отрицателна, така че електронният лъч одновремен-
но се нривлича от пластината У, и се отблъсква от пластината У2.
I она дава възможност да се ностигне два нъти но-голямо отклоне-
ние, отколкото при случая, показан на фиг. 2.22.
Пай-важният технически показател на електроннолъчевата тръ
6,1 е нейната чувствителност. Тя представлява отклонението на
i веглинната точка, нредизвикано от постоянно напрежение със
। 1<>йност IV, приложено на отклоняващите пластини. Ако се озна-
чи отклонението на светлинната точка вьв вертикална посока с у, а
н.трежението на отклоняващите пластини, което ги предизвиква,
। //у, за чувствиТелността ще се получи следният израз:
(2 14) = mrn/V.
’Iснсгвителността завися от работния режим на електроннолъче
31
вша тръба it or неинше геомегрпчнп размера в с not вегсгвне със
следната формула:
(215) 5„ = _±!—
•2d (
къзето е движимата на гнклоняващага властна,
I разсгоянието oi средата на oi к. 1онянаща t а пласпта
до Охрана,
d pa iciomhhcio межд\ пласгнннге:
I „ наирежениего на ыавнпя анод .4
Чувствителността е обратнонропорционална на напрежението
на втория анод ,42, защото колкото електроните в лъча са ио-уско-
рени, толкова но-трудно е да бъдат отклонени. Ако на едва елек-
троннолъчева тръба, конто грябва да бъде захранена с 1400 V, се
нодаде нанрежение 700 V, чувствителността й ще ее удвой. Разби-
ра се, не трябва да се използува този начин за увеличаване на чув-
ствителността, тъй като гова води до загуби на яркост. С увелича-
ване на дължината на отклоняващите нластини нараства н чувст-
вителността на електроннолъчевата тръба, тъй като електронният
лъч ще бъде но-дълго подложен на действието им.
Чувствителността на съвременните електроннолъчеви тръби с
електростатично отклонение е 0,1 miu/V за късите тръби и 0,6
I inm/V за дългите тръ$и.
Екран. Екраиът на електроннолъчевите тръби представлява Tb-
it ьк слой от специално вещество, наречен луминофор (например
кадмиев сулфид). При бомбардиране с електрони това вещество
свети Електроните, отдавайки кинетичната си енергия, при нона-
дане на луминофора избиват един или няколко вторично електро-
на. Необходимо е да се вземат мерки те да бъдат отведена. В про
дивен случай екраиът ще се наелектризира отрицателно и ще от-
блъсква идващия електронен сноп Тази роля се изпълнява от гра
фитен слой, нанесен върху вътрешността на тръбата (вж. фиг.
2.21), конто се свързва електричееки с втория анод. Едновременно
с гова този слой служи за защита от въпшни емущаващи полета.
Важни параметра на ЕЛТ, свързани с качествата на екрана са
яркост ни светене и продължителност ни послесветене. Продъл-
жителността на послесветенето се определи като времето, за което
яркостта на светене намалява в определена степей след преуста-
новяване на бомбардировката с електрони. Съществуват ЕЛТ с
различно време на послесветене. В обикновенпте ЕЛТ то е 0,1 1s.
Има снецнални запомнящи тръби, при конто това послесветене е
повече от 24 h. Те се изнолзуват в т.нар. запомнящи осцилоскони.
Когато вьрху екрана на ЕЛТ се палата да се възпроизвеждат
бързо нроменящи се периодични сигнали, то електронният лъч
много бързо пробягва по екрана и не може да възбуди луминофо-
ра изображението избледнява и при определена скорост изчез-
в.। Гова явление се отразява с параметьра максимална скорост на
1чписване. За да се увеличи бързодействието на тръбата, се изпол-
|\ва трети допълнителен анод, към конто се подава много високо
положително нанрежение (5—30 kV). По този начин се нолучава
донълннтелно ускоряване на електроните след отклонителиата
система и те бомбардират екрана с по-голяма кинетична енергия.
I ова увеличава максималната скорост на записване.
2.7.3. Приложение на ЕЛТ с електростатично управление
I ЛТ с електростатично управление намират приложение главно в
електронните осцилоскопи за наблюдаване на периодично изменя-
|ци се електричееки енгнали.
Принципът на осцилографиране е илюстриран на фиг 2.24.
I лектрическият сигнал, конто ще се изеледва, се подава на верти
к.1лно отклоняващите пластини (в случая е избран синусоиден
шпал). Едновременно с това на хоризонтално отклоняващите
пластини се подава специално изработен трионообразен сигнал
пинал за развивка с период Т
Началото на «триона» съвпада с преминаването на синусоида
I I ivhiронни и полупроводникови прибори
' А’ЛЧНА \
(EMF.* i.'OTFKА]
33
la нрез нулата. Освен това периоды на нов горение на линейно
изменягцото се напрежение 7р е равен на периода на изследвання
сигнал Гс.
В момента 1=0 и двете напрежения са нуда и електронният лъч
е установен в левая край на екрана т. О. В момента t = i\ напре-
жението на сигнала има стойност Ц. (/J и съответно електронният
лъч ще е нридвижен на височина ly = hyUt (7i), където hy е чувстви-
гелността на отклонение по Е В сыция момент нанрежението на
хоризонтално отклоняващите пластина има стойност 7/ (/|), така
че лъчът ще е изместен и в хоризонтална носока на разстояние
lx=hxUv. От сумирането на двете движения се определи мястото
на лъча в т. 1 и т.н. Когато лъчът опише върху екрана един период
на изследвання сигнал, напрежението Ц, става пула и лъчът се
връща в изходната си точка О. Процесът се новтаря дотогава, до-
като са нриложени и двете напрежения.
Трионообразното напрежение развива синусоидата линейно във
времето върху екрана на осцилоекона. Его зато се нарича разви-
ващо напрежение.
2.7.4. Електроннолъчеви тръби с магнитно управление
Траектория та на електроните може да бъде изменена и от дейст-
вието на магнитни полета. Това дава възможност да се осъществи
магнитно фокусиране и магнитно отклоняване на електронния лъч.
Електроннолъчевите тръби с магнитно фокусиране и магнитна
отклоняваща система са получили голямо разпространение главно
при телевизионните приемници. Тъй като фокусиращите елеменги
и отклонявагцата система са разположени вън от тръбите, устрой-
ството им е значително по-елементарно от това на електроннолъ-
чевите тръби с електростатично фокусиране и отклоняване. На фиг.
2 25 е показано условного означение на електроннолъчевите тръ-
би с магнитно фокусиране и отклоняване.
Електронният прожектор на този вид тръби съдържа катод 2 и
управляваща решетка 3, подобна на тези, конто има електроннолъ-
чевата тръба с електростатично управление. Анодът представлява
цилиндър или .метален диск с отвор. Той е съединен електрически
с графитная слой, конто обхваща по-голямата част от вътрешна-
та страна на тръбата. Захранването на тази част от тръбата се
осъществява по начин, подобен на тръбата с електростатично уп-
равление. Разликата е само тази, че анодното напрежение не се
регулира. Фокусирането се извършва с помогцта на бобина 4, която
е разположена около гърлото на тръбата, и се захранва с постоя-
нен ток. Чрез изменение™ на този ток се постига фокусирането.
Вместо фокусираща намотка може да се използува постоянен
магнит във вид на пръстен. Фокусирането в този случай се извърш-
ва чрез надлъжно преместване на магнита по оста на тръбата
34
н/или с помощта на магнитен шунт, конто отвежда част от магнит-
иия поток
<а магнитного отклоняване на електронния лъч могат да елу-
zk.ii и две двойки отклоняваши бобини (фиг. 2.26). Двойката бо-
опин, конто с ьздава ноле е всртикално направление на мш шн пню
и 1ови линии, отклонява електронния лъч в хоризонтална косо
к । Другата двойка, конто сьздава ноле в хоризонтално направле-
ние. нредизвиква отклонение на електронния льч във вертикална
п<|< ока.
1I уветвителността при съвремеините електроннолъчеви тръби с
м.нпитно отклонение обикновено не нревишава няколко десетки
и милиметъра на ампер. Тя завися от конструкцията и работния
р, жим на електроннолъчевата тръба, както и от отклоняващите
бо(>ИПИ.
Магнитната отклоняваща система позволява да се опрости кон-
< |рукцията на електроннолъчевата тръба. Освен това чрез нея мо-
ла- та се постигне отклонение на ъгъл 110 120°, което е невъзмож-
IIU при тръбите с електростатично отклонение. Това от своя страна
иошолява да се правят значително по-къси тръби при големи раз-
м(ри на екрана.
В телевизионните нриемници се изиолзуват изключително тръ-
г>11 I магнитно отклонение. Телевизионните приемки тръби се на-
рпчаг кинескопи. В кинескопите с малки раз.мери на екрана се из-
пол >ува магнитно фокусиране на лъча. В съвременните кинескопи
но големи размери на екрана (диаметър на екрана 53 ст) се из-
но । |ува електростатично фокусиране, с което се избягват обемис-
ине и скъпи магнитни фокусиращи системи.
(.7.5. Запомнящи електроннолъчеви тръби
(ппомнящите осцилоскопи са специален клас измервателни уреди,
копи) заназват изображението и след нрекратяване на възбужда
п< io Гова позволява да се изследват много бавнн пронеси и еди
iiiriiin сигнали, което е невъзможно с обикновените осцилоскопи
35
Запомнящите осцилоскони се изграждат на два принципа: с
използуване на специална запомняща ЕЛТ и на принципа на циф-
рово запомняне на информацията.
Запомнящите ЕЛТ са два вида: полутонови и бистабилни. При
полутоновите тръби яркостта на изображенного във всяка точка е
пропорционална на стойността на електрическия сигнал. При би-
стабилните тръби се получават само два тона — светло и тьмно.
На фиг. 2.27 е показана принципна конструкция на запомняща
бистабилна ЕЛТ Тръбата притежава два електронни прожекто-
ра. Единият е записващ и принципно по нищо не се разлнчава от
прожектора на обикновените електроннолъчеви тръби. Вторият
електронен прожектор е възпро из вежда ш или четящ. Той създава
широко поле от бавно движещи се електрони, насочени перпенди-
кулярно към мишената.
Запомнящата част на тръбата е мишената, наречена още на-
трупваща решетка. Страната й откъ.м прожектора е покрита със
специален диелектричен слой. Когато няма запис, цялата повърх-
ност на диелектричния слой на мишената има нулев потенциал
спрямо катода на възпроизвеждащия прожектор и бавните елек-
трони не могат да преминават през нея. Когато високоскоростният
лъч от записващия прожектор се удари в мишената (диелектрич-
ния слой), получава се вторична електронна емисия и съответните
участъци от мишената се оказват заредени положително. Бавните
електрони, създадени от четящия прожектор, попадат върху тези
участъци с по-голяма кинетична енергия и предизвикват по-на-
татъшна вторична електронна емисия. Това изравнява потенциа-
36
пне на положите.!но заредениie точки на мишената и електрони-
iv нопадат върху луминофора, допълнително ускорена от високо-
ю положателно напрежение на екрана, предизвиквайкн светене в
i (.ответвите точки. По този начин записаното трасе на положител-
ио заредените точки (потенциалният релеф) от мишената се пре-
иася върху екрана.
При еднократен запас върху мишената след отнадане на сигна-
i.i (лъча на записващия прожектор) незначителните изменения с
иремето на положителните потенциала на трасираната следа се
компенсират от вторичната електронна емисия, поддържана от
ударите на бавните електрони. По този начин потенциалният ре-
1еф може да се запази дьлго време.
37
Въпроси и задачи
1 Що е интензитет на електрическото поле?
2. I Цо е проницаемост D на триодната лампа? Какви физични явления отразява?
3 Дефинирайте статичните параметра .S. R. и р. на триода. Какви физични
явления отразяват?
4. Да се определят статичната и динамичната стръмност за работната точка А от
характеристиките, дадени на фиг. 2.13. За сыцата работна точка да се наме-
рят вьтрешното е ьпротивление, статичният и дипамичният коефициент на усил-
ване по нанрежение
5. Как е устроена електроннолъчевата тръба?
6. I По е чувствителност на отклонение на льча в ЕЛ Г?
7. Обяснете принципа на наблюдаване на цериодични енгнали върху екрана на
ЕЛТ
ГЛАВА Т Р Е Т А
3.1. ЕЛЕКТРОПРОВОДИМОСТ НА ТВЪРДИТЕ ТЕЛА. ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ
Способността на телата да пропускат електричееки ток се нарича
електропроводимост. Често се използува реципрочното понятие
електрическо съпротивление.
Известно е, че съпротивлението, което едно тяло с дължина I и
сечение S оказва на електрическия ток, се определи с формулата
(3.1) /?=<> — . о
! S
където р е специфичною съпротивление на материала.
Ако в (3.1) се замести /= 1m и -S' = Ini', нолучава се, че специ-
фичною еьпротивление е равно на R, г. е. то е сьпротивлението,
което оказва на електрическия гок материал с обем 1 пт*. Размер-
иостта на р е
RS
I ’
Специфичного съпротивление дава сравнителна опенка на елек-
гропроводимостта на различните материале!, тъй като се отпася
за единица обем и не зависи от размерите на тялото.
33
Специфичната проводимост о е величина, обратно пропорцио-
нална на специфичного съпротивление р, и има размерност S/m.
Като се използува законът на Ом U = IR и формула (3.1), за
електрическия ток, протичащ през едно тяло, се получава
1=о.U—
I
Ако цвете страни на горного уравнение се разделят на сечение-
го S, получава се токът през единица сечение. Получената вели-
чина се нарича плътност на тока и се бележи с J:
(3.2) J = o , А/пг.
От (3.2) се вижда, че плътността на тока е иравопропорцио-
нална на специфичната проводимост о. Когато е известна специ-
фичната проводи моет, лесно се определи гокът през производно
сечение.
Както е известно, интензитетьт на електрическото поле се изра-
>ява с отпошението на потенциалната разлика между две точки,
разположени близко една до друга, и разстоянието между тях. Ако
се предположи, че в даденотяло с дължина I се създава равномер-
но електрическо поле от приложено нанрежение U, интензитетьт се
определи от формулата
(3 3) V/ni.
Като ее замести в (3.2) -у— =£, получава ее, че плътността
на тока е произведение от специфичната проводимост на материа-
ла и създадения интензитет на електрическото поле в твърдото
1яло:
(3.4) J = oE.
Това са основните електричееки величини и количествените
връзки между тях са валидни за всички материали — проводни-
ки, полупроводници и диелектрици.
3.2. МЕХАНИЗЪМ НА ПРОТИЧАНЕ НА ТОК В ТВЪРДОТО ТЯЛО
Протичане на електричееки ток през твърдото тяло е възможно
само ако в него съществуват свободни електрони, способна да се
придвижат под влияние на електрическо поле.
Броят на свободните електрони в единица обем на твърдото тя-
ло се нарича концентрация. Отбелязва се с п.
В металите всички Валентин електрони са свободни. Това опре-
дели голима стойност на концентрацията им (повече от 1022 ст-3).
Тго защо металите са добри проводниц» на електрическия ток.
39
Полупроводниците се характеризират със значително по-малки
концентрации на свободни токоносители. Така например за сили-
ция е установено, че при стайна температура концентрацията е
около 2.10'° ст 3, т. е. с около 12 порядъка по-малка от концен-
трацията при металите. Ето зато полупроводниците имат по-
малка проводимост от металите.
В диелектриците концентрацията на свободни електрони е не-
значителна (в идеалния случай е нула). Това определи добрите
им изолационни свойства.
Свободните електрони в твърдите тела (метали и полупровод-
ници) притежават определена енергии и се движат в кристалната
решетка. Поради непрекъснатото сблъскване с атомите на решет-
ката движението на електроните има хаотичен характер.
Различимте електрони се движат с различии скорости и имат
различии времена на свободен пробег между две взаимодействия с
атомите. За металите например е установено, че средното време
за един свободен пробег е т = 10 14 s.
Всички носоки на хаотичното движение са равновероятна. Ето
зато при липса на електрнческо поле пл ьтностйте на потопите от
електрони през единица повърхност за единица време за конто и
да са взаимнопротивоположни посоки са равна и взаимно се ком
пенсират. Едновременно с това отрицателните заряди на електро-
ните се компенсират с положителните заряди на атомните ядра.
Всеки елементарен обем от структурата е електрически неутрален.
Това състояние на твърдото тяло има голямо значение за затва
ряне на токовата верига през външния източник.
Ако между две повърхности на твърдото тяло се приложи вънцъ
но напрежение, в него се създава електрнческо поле с интензитет Е.
Тогава електроните аналогично на^азгледаните явления във ва-
куума изпитват допълнителна сила р— — qE. насочена към точки
с по-високи потенциала, т. е. обратно на посоката на електрическо-
то поле. Това явление е символично илюстрирано на фиг. 3.1, къ-
дето в единица обем е показан един електрон.
Установено е, че хаотичното движение на електроните в мета-
лите има средна скорост иср«10ь cm/s, докато допълнителната
скорост, получена от електрическото поле, е около 101 cm/s, т.е. с
5 порядъка по-малка.
На фона на голямата скорост на хаотичното движение допъл-
нителното насочване на електроните към точки с по-високи потен-
циали наподобява бавния дрейф на айсбергите в океана. Насочено-
то движение на свободните токоносители в твърдото тяло под
влияние на електрнческо поле се нарича дрейфово движение или
дрейф. Съответно получената допълнителна скорост се нарича
дрейфово — идр.
Кулоновата сила, която действува върху свободните електрони,
зависи от стойността на електрическотсцполе. Това означава, че и
дрейфовата скорост идр е функция на Е. Ето защо се извършва
40
сравнителна оценка на дрейфовото движение в различимте мате-
риала с въвеждане на величината подвижност.
(3.5) р. = -^-, in2/V.s.
Както се вижда от (3.5), подвижността на свободните токоно-
сители представлява скоростта, която ге придобиват при единица
ннтензитет на електрическото поле.
Установено е, че подвижността на електроните в силиция при
( тайна температура (300 К) е 1400 cnr/V.s. Подвижността. при
металиге е повече от сто пъти по-малка — от порядъка на 10 cnr/V.s.
1ова се дължи на значително по-голямата концентрация на елек-
троните в металите и по-големия брой сблъсквания на частиците
за единица време.
Като се използуват въведените понятия, може да се определят
плътността на тока и специфичната проводимост на твърдото тя-
ло като функции на концентрацията и подвижността на свобод-
ните токоносители.
Броят на електроните, конто преминават за единица време през
стечение 1 cm2, е произведението на тяхната концентрация с дрей-
фовата скорост—гшдр. Количеството електричество, нренесено
през това сечение — qnv^, определи плътността на тока
(3 6) J = qnvaf, A/cm.
4 1
Като се замести в (3.6) сдр — рЕ и се изиолзва (3.4), согласно
което «=-р-. за специфичната проводимост се получава
(37) (У=(/пц, или (<>. ст) 1
ст
Както се вижда от (3.7), специфичната проводимост на твърдото
тяло е пропорционална на концентрацията на свободните токо-
носители, на гехния заряд и на подвижността им.
И така в обема на тялото, показано на фиг. 3.1, се намират оп-
ределен брой електрони, определят!! концентрацията на свобод-
ните токоносители за дадения материал. Под действие™ на елек-
трическото поле през дясната повърхност излитат nv на брой
електрони за единица време За същото време в лявата чает се
въвеждат в обема същото количество електрони, така че във вес-
ки момент се запазва електрическата неугралност. Генератор на
тока е приложено™ външно напрежение (/, което сьздава необ-
ходимия интензитет на електрическото поле в обема на гялото и
набавя необходимее електрони за запазване на електрическата
му неутралност. Носители на тока са свободните електрони в обе-
ма на гялото. Ако лиисват свободно токоносители, какъвто е слу-
чаят с идеалиите изолатори, ток във веригата не може да протече.
Разделянето на твърдите тела на проводница, полупроводнн-
ци и изолатори (диелектрици) условно може да се нзвършп въз
основа на стойността на специфичного им гыцютивление (фиг. 3.2).
Но разликата между металите и полупроводниците не е само
в количествените стойкости на техните специфични проводимости.
Сыцествуват и съществени качествен!! различия, конто дават ха-
рактерен отпечатък върху свойствата на полупроводниците и
определят приложение™ им за изработване на полуироводнико-
ви прибори.
И така всички електрони от най-външната обвивка на атомите
на метала са свободни. Това определи огромна концентрация на
свободни електрони и добра проводимост. От сблъскването на
електроните с атомната решетка се ограничава скоростта на тях-
ното придвижване, което определи специфично™ сопротивле-
ние - вж. (3.6). При повишаване на температурата се увелича-
ват топлинните колебания на металлата решетка и вероятност га
за сбльскване на движещите се електрони с нейните атоми се уве-
личава Ето зато при повишаване на температурата електри-
ческото съпротивлепие нараства.
Сьвсем по друг начин се развиват явленията в полупроводни-
ки те. При стайна температура малък брой електрони се освобож-
дават от валентните връ.зки. Това определи по-малка концентра-
ция на свободни токоносители и огтам по-голямо съпротивле-
ние. При повишаване на температурата ио-голям брой електро-
42
ни ее освобождават от валенгниге връзки и сьпротивлението на-
малява. При достатъчно високи температуря полупроводниците
травняват специфичного си сопротивление с това на металите.
Hemo повече, дори и диелектрипите при много високи температура
ниючваг да нровеждат електрически ток.
Проводи \^олат°Р“
10 8 10~’ 10 s tO18
6,S.crri
106 101 W5 10~18
Фш. 3.2
4 3. ТЕОРИЯ НА ЕЛЕКТРОПРОВОД ИМОСТТА.
(ОБСТВЕНА ПРОВОДИМОСТ НА ПОЛУПРОВОДНИЦИТЕ
Проводи мост та на мегалите и полупроводниците дотук бе разгле
i.nia до голяма степей количествепо. Причините за получаване на
юляма концентрация на свободни електрони при металите, малка
при полупроводниците и незначителна при диелектриците не бяха
теегнати. Отговор на тези вопроси и строго научно обяснение на
явлението електропроводимост дават зоннага теория и законнее на
квашовата механика. Редица явления и пронеси обаче могат да се
оояснят по добре с теорията на ковалентните връзки. Ето зато съ-
посгавянето на двата подхода сномага за по-задълбочепо и по
iccno възнриемане на материала.
.1.3.1. Собствена проводимост на полупроводниците
iпоред валентната теория
I mu от пай-разпространените химически елементи и одновремен-
но с това най-место използуван ja нзработвапето на полупровод-
пнкови прибори е силицнят. Класическпяг модел па нзолирания му
том е показан па фт . З.Зи. Като елемент от Менделеевита табло
па с поредев номер 14 силиция! има 14 електрона, разпределенн в
3 i 1ектронпи обвивки. Броят на елемроните в пай-выннпата об
пивка е 4, коего определи валентпостта му. Атомного ядро е заре-
к по с 14 положителни заряда, конто компепсират огрицателпите
тряди на електроните По този начин атомът като пяло е елекгрн
чи ки неутрален, а системата ядро електрони сгабилиа
Пай-слабо евързани с положителпото ядро са електроните oi
п.in външната електровна обвивка и при определено условия те мо
। л । 1,а станаг свободни електрони Его зато, за да се обяеият про-
Ш ( иге, евързани с електропроводимостта, се използува опростепи-
43
я I моде/i от фиг. 3.3 б. В него е дадеиа само пай-в ьншназ а елек-
гронна обвивка с четирите Валентин електрони и съответствуващи-
ят положителен заряд на атомного ядро. Атомного ядро заедно с
положителния заряд ее нарича атомен остатък. Този опростев мо-
дел е валиден за всички полупроводников!! елементи.
Още ведньж 1рябва да се подвергай, че казаиото дыук е вярио
за изолирания атом. В твърдите тела атомите са разположени
твърде близко един до друг. Междуатомните разстояния са съиз-
мерими с диаметъра на най-външната електронна орбита и взаим-
но си влияят. Това внася определен!! изменения в състоянието на
атомите и техните електрони, а оттам и в проводимоетта.
Установено е, че електрическите свойства на дадеио вещество за-
висят не само от строежа на неговите атоми, но и от начина, ио
конто те са подредени в пространство™, т.е. or кристалната му
структура. Гака например елмазът и графиты са две различии
структури на въглерода и имат различии електричееки свойства,
Оказва се, че електрическите свойства на телата са различии дори
за монокристалнага и поликристалиата им структура.
За изработванего на нолупроводниковите прибори и интегрални
схеми се изнолзуват предимно полуироводпици с монокристална
структура. Тя е от типа елмаз или тетраедър (фиг. 3.4). При такава
кристал на решетка всеки атом от единая ъгы на тетраедъра е цен-
трален за следващия тетраедър и т.н. Важен е фактът, че всеки
атом е пространствено заобиколен от четири съседни атома, от-
стоящи на еднакво разстояние а0, еъизмеримо с диаметъра на най-
външната електронна орбита. При това положение, както се вижда
на фиг. 3.5тг, електроните от електроннага обвивка на единия атом
те изпитват притегателни сили от положителните ядра на съседни-
те атоми. В резултат на взаимного притегляне индивидуалната
електронна орбита, характерна за изолирания- атом, тук се дефор-
мира в обобщени орбити, показани на фиг. 3.56. По този начин в
44
кристалната решетка между съседннте атоми се изграждат особен
вид връзки, наречен» ковалентни връзки. Те иредставляват обоб-
щен» орбит» на двойки електрони около две съседни ядра. Тез»
електрони в еднаква степей принадлежат и към двете атомни ядра
и образуват здрава вр ьзка между тях. Изграждането на ковалент-
HII връзки на всеки атом с един елек-
|рон от заобнкалящите го четири
сьседнн атома допълва най-външ-
ната електронна обвивка до осем
слектрона. Както е известно, такава
електронна обвивка се нарича ста-
билна електронна обвивка.
Равнинният модел на монокрис-
1ала със символично изобразени
ковалентни връзки като прави ли-
нии, евързваши съседннте атоми,
е показан на фиг. 3.5е. Съвсем оче-
видно е, че при това състояние на
Фиг. 3.4
Фиг. 3 5
45
монокрпсшлнага с I руму pa линсваг свободни електрони При-
лагането на външно електрнческо поле не измени състоянието на
ковалентните връзки и в полупроводника ток не тече. Полупровод-1
никът има свойствата на изолатор.
Разгледаното състояние на кристалната структура, при която
всички електрони са свързани в ковалентни връзки, е идеална. Тя
е възможна за химически чист полупроводник при температура ОК
( 273'С). При температури, по-високи от О К, кристальт придо-
бива допълнителна енергия, която нривежда атомите на решетка-
та в греителиво движение. Носители па енергията па механичпите
трептепия са квантови частици, наречсни фонони. С повишаване
на температурата енергията на фононите нараства и предизвиква
разкъсване на ковалентни връзки в определен!! места на кристала]
Фононът може да се оириличи на енергия, която електроньт вьз-
приема и в резултат на това може да преодолее иритегателните си-
ла на положителното ядро, да разкъса ковалентната врьзка и да
стане свободен електрон. Този нроцес символично е показан на
фиг. 3.6а. Освободеното от електрона място е празно. То може да се
оириличи на фиктивна частица с положителен заряд -f-y, тъй
каго точно такьв заряд от атомното ядро остава некомпенсиран
след освобождаване на електрона. Гази фиктивна частица с по
ложителен заряд, равен по абсолютна стойност на заряда на елек
трона, се нарича дупка.
Генерацията на двойка електрон дупка иод действието на топ-
линната енергия се нарича термогенерация. При стайна темпера-
тура термогенерацията е непрекъснат пронес. Вьв всеки момент в
обема на кристала се генерират определен брой двойки електрон-
дупка. Едновременно с това хаотично движещите се свободни
електрони попадат в овакантените места и изграждат отново ко-
валентни връзки. Процесът на рекомбинация, при който изчезват
един свободен електрон и една дупка, е показан на фиг. 3.66.
Пронесите на генерация и рекомбинация определят състоянието,
при което в кристала съгцествуват определен брой свободни елек-
трони и дупки, хаотично движещи се в кристала. Тяхната концен-
трация значително нараства с повишаване на температурата. Дуп-
ките могат да се преместват освен чрез фиктивното хаотично дви-|
жение, предизвикано от ненрекъснатата генерация и рекомбина-
ция, и чрез заемането им от Валентин електрони на съседни атоми,
както е показано на фиг. З.бе.
Описаното състояние на кристалната структура наподобява
състоянието на метала. В полупроводника обаче са палице два ви-
да свободни токоносители електрони и дупки, конто се намират
в хаотично движение, подобно на електронния газ в металите. Ко-
гато към такъв полупроводник се приложи външно напрежение,!
създаденото електрнческо поле принуждава електроните да се дви
жат към положителния полюс, а дупките - към отрицателния.
Следователно токът през полупроводника се определя от движе-
46
инею в противоположи!! иосоки на два вида токоносители (елек-
।рони и дупки). Тъй като техните заряди са противоположна, об-
ИП1ЯТТОК се определи от сумата на двата вида заряди, пренесени за
< шпица време от гези токоносители.
Рекомбинация
Ленерация
Движение
на дупка
Чесю движеннего на фиктивна ie частица длпки, предизвиква
недоумение. 11а фиг. 3.7 е дадена опростена картина на механизма
на протичане на електронния и дупчестия ток. В центъра на долная
ред на равнинная модел е показана топлинна генерация на двойка
електрон-дупка. Към хаотичното движение на получения сво-
ооден електрон съвсем аналогично както при мегалите се прибавя
щижението иод действие на електрическото ноле у този електрон
( определена дрейфова скорост достига до положителния полюс.
11оради нарушаване на електрическата неутралност в кристала от
огрицателния полюс на външиия източник веднага постъпва един
електрон. Така се затваря веригата на електронния ток през вън-
шната верига. На същата фигура в средняя ред на монокристала
е показана термогенерация на електрон-дупка непосредствено
голевая край. Освободенпяг електрон се озовава в полюсовия из-
вод на кристала,-а съседен електрон, вдясно от дупката, под дей-
сгвието на електрическото поле се придвижва вляво и възстановя-
на разрушената ковалентна връзка. Той обаче е овакантил едно
място, т.е. дупката се е придвижила надясно. Процесът продължа-
на до придвижване на дупката до отрицателния полюс, където се
тутрализира от вкарания от токоизточника електрон.
От казаното дотук става ясно, че движението на дупката е фпк-
। явно. Фактически става дума отново за движение на електрони, но
не в междуатомното пространство, какъвто е случаят със свобод-
47
пня електрон, а скокообразно от атом на атом, придвижванки се от
една ковалентна връзка към друга. Характерът на движеннето на
дупкнте определи и тяхната по-малка подвижност в сравнение с та-
зи на електроните.
Наиравените разеъждения показват още ведньж, че разгледа-
ният механизъм на протичане на ток в твърдото тяло и изведените
колпчествени връзки между отделнпте величина са в сила и за
полупроводниците. Специфичната проводимост в твърдото тяло бе
определена с уравн. (3.7) :o — qnp, където л и ц са съответно кон-
центрацията на свободни токоносители и подвижността им. Сво-
бодни токоносители при полупроводниците са електроните и дуп-
ките. Техните концентрации са равни, зарядите също Под дейст-
вие на електрическото поле електроните и дупките се движат в про-
тивоположни посоки, но и зарядите им са противоположни по знак.
Следователно общата плътнбст на тока се получава като сума от
токовете на двата вида токоносители и общата специфична про-
водимост е аналогична сумарна величина:
(3.8) ст, = qn,pn -ф с/пдц, = qn,( -ф щ,).
Всички разеъждения дотук са валидни за чист полупроводник, в
конто няма примесни атоми. Ето защо проводимостта ст,, определе-
на с (3.8), се нарича проводимост на собственпя полупроводник
или собствена проводимост. По аналогия концентрацията се нари-
ча собствена концентрация или концентрация на чистая полупро-
водник.
48
3.3.2. Собствената проводимое! според зонната теория
В гл. 2 бе разгледан принципы на действие на електронните лампи.
11ри тях свободните електрони под действие на електрическо поле
се привеждат в движение и плавно изменят кинетичната си енер
i ня. Но аналогичен начин се движат свободните електрони и в
търдото тяло. Електроните и в двата случая могат да приемат
производим енергни или, казано на езика на квантовата механика,
спектры от енергийни нива, конто мота г да се заемат от свобод-
ннге електрони, е непрекьенат.
Именно тази «енергийна» особеносг на свободните електрони
определи тяхната способност да се движат в пространството, като
i амото движение е по сыцество изменение на кинетичната енергия
на елементарната частица.
Поведение!о на електроните, конто са свьрзани с атомите, е сьв
<ем различно от гова на свободните електрони.
Според квантовата теория електроните в изолирания агом могат
га заемат само строго определен!! дискрегни нива При гова енер
|цяга на електрона и орбитата. по конто обикаля той около агом
ного ядро, са еднозначно свьрзани. Така например при класиче
( кия модел на атома на силиция, представен на фиг. 3.3, електро
nine от паи вьншната електронна обвивка имат нап-голя.ма енер
। ия.
В тонна га теория на ироводнмостта е гвьрде важен г.пар. прпп
пни на Паули. Съгласно този принцип в едно и сыцо енергийно
ьстояние могат да се намират максимум два елекгрона само при
положение, че имаг противоположно въртящи моменти (магнитив
спинове). В сьогветствие с принципа на Паули и дискрегността
па позволепите енергийни нива на фиг. 3.8 е показана скалата на те
tn нива и разноложевието на електроните на силиция в гях. Елек-
ipoii от нан горното ново, в случая отбелязано с U"„, може да заеме
ндващото пиво U'„ t , само ако му се иредаде въшина енергия,
равна на разликата между двете нива или по-голяма. Това ше съ-
(иветствува на възбудено състояние на атома, реем. на елек грона
Гака разгледаните енергийни нива сьответствуват на изолиран
пом. В твьрднтетела атомите са разположени в крисгална решет
а на гвърде близки разстоянпя един от друг и си взаимодейслв\ -
н.п Това взаимодействие в зонната теория се изразява в разнро
< । нране на принципа па Паули за целая обем на тялото. Това те
рейс, че в обща га крисгална структура, сьсгавена or oi ромеи брон
номн и електрони, не може да’има повече от два електрона с ед
и.шва енергия. Его зато се образуват доп ьлнителнн днекретни
енергийни нива, чийто брой е равен на броя на атомите в структу-
ра i а Извършва се пронес на «разцеиване» на нивата на отделяйте
mo.Mii. В резултат на това разцеиване от всяко енергийно ниво се
I ь! гават голям брон разположени близко одно до дру го енергийни
пива, образу ваши т. нар. енергийни :юни
I >Т Ч ! решим и иолу ириводнмкиви прибори
19
На фиг. 3.9а е показано разцеив.пп н> на най-горного пиво W',, на
самостоятелния атом, заето от електрон, и следващото по ред ниво
Wz„4 което електронът може да заеме, но не е заел. По абсцис-
ната ос е нанесено междуатомното разстояние а. На фигурата ус-
НиНо на ядрото 6 по голяма
дьлдочана
Фш 3H
ловно го е представено като променлива величина. В реалния чист
кристал междуатомното разстояние е винагн постоянна величина
а». Разцепването води до образуването на две зони. Те съответ-
ствуват на области на енергии, конто могат да заемат електроните
в кристала. Затова тези зони се наричат разрешена. Интервалът
между тях A IF съответствува на обхвата от енергийни нива, конто
електроните не могат да заемат, и се нарича забранена зона Раз-1
решените зони в твърдото тяло могат да бъдат заньлненн с елек-
грони в различна степей. Когато всичките енергийни състояния са
заети, съответната зона се нарича запълнена. Разрешените енер-
гийни зони, конто не са заети от електрони, се наричат свободни.
Нагледно това е представено на фиг. 3.96 за реалното междуатом-
но разстояние а(1.
Следователно съгцествуват три характерна зони:
1. Валентна зона (заема се от най-външниге валентна електро-
ни). Тя се получава от разцепването на най-горното заето ниво на
атома. Следователе) в идеалния случай всяко енергийно ниво от
тази зона е заето от електрон и тя се оказва запълнена зона.
2. Забранена зона. Тя има широчина A IF. Електроните не могат]
да притежават енергии, чиито стойности се намират в тази зона.
3. Свободна зона. Енергийните нива в нея са свободни и могат да
се заемат от електрони. Тази зона играе важна роля за проводи-
мостта и се нарича още зона на проводимостта.
При металите разцепването на енергийните нива става по та-
кте начин, че валентната зона се припокрива със зоната на про-
водимост (фиг. 3.10а). Това означава, че незначителна енергпя.
50
ni.iiniiio подадена на електрона (например повишаване па ic.M
ш-ратурата над абсолютната нула или вьншно приложено електри-
'h гко поле), му дава възможност да преминава от валентната зона
н шпата на проводимостта. Ето защо в металите еыцествува голя
мо количество свободни електрони. Когато се приложи външно
। 1скгрическо поле, те заночват да се двнжат насочено и протича
< (прически ток. Големият брой свободни електрони определи и
юлямата електронроводимост на металите.
Броят на свободните електрони практически не завися от темпе-
p.и урата, защото почти всички електрони от валентната зона вече
ia нреминали в зоната на проводимостта (това става при пай-мал-
кою повишаване на температурата над О К). Броят на новонреми
палите електрони при повишаване на температурата е много малък
и t ледователно проводимостта на металите не би трябвало да зави
। н от температурата. Но с повишаването на температурата се уве-
шчава амплитудата на топлинните трептения на Йоните в кристал
н.п а решетка, което затруднява насоченото движение на електро-
iinie. Това означава, че с повишаване на температурата намалява
г п-ктропроводимостта на металите, респ. тяхното съпротивление
<1 ’.величава,
Полупроводниците и диелектриците се характеризират с ясно
разграничены три зони — фиг. 3.10б,в. Електрон от валентната
юна може да стане свободен единствено ако му се иредаде вън-
iiiiia енергия, достатъчна за преодоляване на забранената зона.
Биава той преминава в зоната на проводимостта и може да се
1ННЖИ под действието на вьншно електрическо поле.
Както се вижда от фиг. 3. Юб.в, диаграмата на енергийното със
Фиг. Зло
нищие на полунроводнините и диелектриците се характеризира със
к гните величини:
UZu най-високото ниво от валентната зона; тук са разположе-
ни електроните, конто притежават най-голяма енергия;
U,,,, най-ниското ниво от зоната на проводимостта;
51
Д№=№пр— WB—широчината на забранената зона; тя пред-
ставлява най-малката допълнителна енергия, необходима на елек-
троните от най-високите нива на валентната зона, за да преминат
в зоната на проводимостта.
Принципна разлика между полупроводниците и диелектриците
по отношение на характера на електропроводимостта не същест-
вува. Разликата е само количествена и се състои в различните ши-
рочини на забранената зона. Обикновено за полупроводници се
смятаттези материали, чиято широчина на забранената зона е по-
малка от 3—5 eV. Материали с по-широка забранена зона от тази
се смятат за диелектрици.
Установено е, че при температура 7 = 300 К германият има ши-
рочина на забранената зона А№=0,67 eV, силицият — 1,12 eV, га-
лиевият арсенид— 1,43 eV.
При ниски температуря (0 К) полупроводниците стават изола-
тори, защото всички електрони се намират във валентната зона.
Действително полупроводниците с правилно подредена кристална
структура при температура 0 К се отнасят като диелектрици. При
стайна температура обаче известен брой електрони от валентната
зона приемат допълнителна топлинна енергия, която е достатъчна,
за да преминат те през забранената зона в зоната на проводимост-
та. С повишаване на температурата се увеличава броят на електро-
ните, конто преминават в зоната на проводимостта. Поради тази
причина за разлика от металите с повишаване на температурата
специфичната проводимост на полупроводниците расте, респ. спе-
цифичного съпротивление намалява.
Поради по-широката забранена зона на диелектриците пови-
шаването на проводимостта им става при значително по-високи
температури.
На фиг. 3.11 е показана зонната диаграма на полупроводника
и явлението генерация и рекомбинация на двойки електрон-дуп-
ки. Електронът, успял да преодолее забранената зона, се разпо-
лага в извънредно гъстия спектър на разрешените енергийни нива.
Това означава, че той вече може да заема произволни енергии и да
се ускорява от електрнческо поле, като по този начин се движи в
междуатомното пространство. От такива свободни електрони се
определя електронната съставка на проводимостта. От гледна
точка на валентната теория преминаването на електрони в зоната
на проводимостта съответствува на разкъсване на ковалентните
връзки.
Освобождаването на енергийни нива във валентната зона съз-
дава възможност електрони от същата зона да ги заемат, т.е. да
изменят енергията си. Това означава, че тези електрони могат да
се движат в пространството на кристала, което съответствува на
движението на електроните по ковалентните връзки, свързано с
понятието дупка.
На практика генерационните и рекомбинационните процеси се
52
<>< ыцествяват чрез иряко преодоляване на забранената зона от
м.члък брой токоносители. Основно тези пронеси се извършват с
помощта на допълнително създадени разрешена нива в забране-
на га зона, наречени уловки. Причини за създаването на тези улов-
Фиг. 3 1_'
mi са нарушения в кристалната структура и попадане на допълни-
к'лни примесни атоми в нея.
Разпределението на електроните и дупките по енергийни нива
и твърдото тяло се описва с функциите на Ферми — Дирак. Раз-
нределението на електроните се дава с функцията
Ц/— W р
1+е kT
к вдето е вероятността състоянието с някаква енергия W при
температура Т да бъде заето от електрон;
117 енергия, отчитана от произволно избрано ниво (обик-
новено от нивото на валентната зона ;
WF- енергия (ниво) на Ферми, отчитана от същото ниво;
К =1,38.10 2j/K — константата на Болцман.
Енергийното ниво може да се заеме от електрон или от дупка и
сумата от двете вероятности е 1. Ето защо за разпределението на
цнките по енергийните нива е валиден изразът
(3.10) fP (w,T)= 1 - М w, T)=- v •
Ц-е kT
Ila фиг. 3.12 са представени функциите на разиределение и fp
ni.pxy зонната диаграма на полупроводника.
Нивото на Ферми е.разположено в средата на забранената зона,
концентрацията на свободните електрони (при температура Т>) е
53
пропорционална на защрнхованата площ в зоната на проводи-
мостта. Тази концентрация е равна на концентрацията на дуп-
ките — защрнхованата площ от валентна’та зона. При температура
Т = 0 К тези концентрации са равни на нула.
От разпределението на Ферми — Дирак за концентрациите на
дупките и електроните в чистия полупроводник се извежда след-
ната зависимост:
А1Г
(3.11) п, = р1 = 4,82.1015 Т3/2 е~
Произведението kT има размерност на енергия и представлява
средната топлинна енергия на кристала. За Т = 300 К (около 27°С)
се получава kT=0,026 eV, което съответствува на т. нар. темпе-
ратурен потенциал:
(3.12) ^=—=—=0,026 V.
</ q
Начислено е, че за силиция при стайна температура (около 27°С)
броят на свободните електрони е niSl «2.1010 ст, а за германия
niGe «2.5.1013 ст-3, т. е. с около 3 порядъка по-голяма от тази на
силиция.
Като се знае, че концентрацията на атомите /VaT в кристални-
те структури е около 5.1022 ст ~3, т. е. в 1 ст 3 има 5.1022 броя
атома, не е трудно да се намери процентът на свободните елек-
трони при стайна температура:
= 2Л«
5.1022
1ои= 2,5.0-.00 = |0
КАД А 5.1022
7 о,
3.4. ПРИМЕСНА ПРОВОДИМОСТ НА ПОЛУПРОВОДНИЦИТЕ
3.4.1. Полупроводник с електронна проводимост (тип N)
Въвеждането на примесни атоми в кристалната решетка на полу
проводниците увеличава рязко тяхната електропроводимост. На
фиг. 3.13 е показан видът на кристалната решетка на полупро-
водник, в конто е прибавен примесен атом от V валентност (напри-
мер фосфор Р). Вижда се, че примесният атом е заел мястото на
атом от основния полупроводник.
Тъй като елементът е от V валентност, той има 5 електрона в
най-външната си електронна обвивка. Възможните за изграж-
дане ковалентни връзки със съседни атоми на собствения (гер-
манцев или силициев) полупроводник са 4. Следователно петият
електрон се оказва излишен и той става свободен електрон в
54
кристалната решетка. По такъв начин всеки примесен атом при
<тайна температура създава свободен електрон и положителен,
но неподвижен атомен остатък (положителен ион). Такива при-
меси се наричат донорни (от английски donor — дарител). Ако
концентрацията на примесните атоми е с няколко порядъка по-го
1яма от концентрацията на двойките електрон-дупка, породени
<п топлннна генерация на собствените атоми на полупроводника,
концентрацията на електроните трябва да се увеличи със същия
норядък. Едновременно с това обаче се увеличава вероятността
ш рекомбинация на електрони с дупки, поради което концентра-
цнята на дупките значително намалява. При прилагането на вън-
iiiHO електрическо поле дрейфовият ток във веригата се определи
нредимно от движението на електрони, защото тяхната концен-
।рация е по-голяма. Ето защо такъв полупроводник се нарича по-
лупроводник от N тип или полупроводник с електронна проводи-
мост. Електроните тук се наричат основни токоносители, а дупки-
re — неосновни.
Зонната теория доказва, че всеки примесен атом от V валентност
създава допълнително енергийно пиво, разположено в забране-
ната зона съвсем близко до зоната на проводимостта (фиг. 3.14а).
Но тази причина всеки пети електрон на примесните атоми при
1 тайна температура преминава в зоната на проводимостта и се
нревръща в свободен електрон.
Функцията на Ферми — Дирак е валидна и за полупроводници
г примеси. В разглеждания случай (примеси от V валентност) ни-
пото на Ферми е изместено от средата на забранената зона —
фиг. 3.146. При това колкото е по голям а концентрацията на при-
месните атоми, толкова повече нивото на Ферми се приближава
до зоната на проводимостта и защрихованата площ, пропорцио-
/ ЛИЧНА S
I библиотека)
НеделчеВ *
нална на концентрацията на свободните токоносители — елек
троните, се увеличава.
Установено е, че увеличаването на броя на електроните и нама-
Фиг. 3.14
ляването на броя на дупките в полупроводника от N тип става по
1акъв начин, че про наведен пето от концешрациите им е равно на
произведението от концентрациите на електроните и дупките в
чистая полупроводник (за една и сыца температура) и не зависи
от концентрацията на примесите.
(3.13) nN р,, -=п, р,= n't,
където nN е концентрацията на свободните електрони в N по-
лупроводника;
Рн — концентрацията на свободните дупки в N полу
проводника;
п, и р, са съответно собствените концентрации на електроните
и дупките в чистая полупроводник
Концентрацията на свободните токоносители в полупроводни-
ка, която удовлетворява условието (3.13), се нарича равновесна
концентрация. Същността й може да се изясни с пример. Да пред-
положим, че в определен малък обем от полупроводника без при
меси са генерирани 100 електрона и 100 дупки. Общият брой на
токоносителите тогава е 200, а произведението им е 100.100= 10 0(Х).
Ако в чистая полупроводник се прибавят примесни атоми с та-
кава концентрация, че да се получат 10 000 свободни електрона,
съгласно (3.13) броят на дупките ще се намали на 1. В същото
време общият брой на токоносителите се увеличава от 200 на
10 001 и съответно проводимостта се увеличава около 50 пъти
Като се има предвид нищожният процент от йонизирани ато-
56
ми в чистия полупроводник, прибавянето на незначително коли-
чество примесни атоми увеличава рязко проводимостта. Това е зна-
чнгелно по-силно изразено при материалите с по-голяма широчи-
н.। на забранената зона. Ето защо е необходимо изходният полу-
проводников материал да бъде с много голяма чистота, за да мо-
же чрез прибавянето на примеси да се'управлява проводимостта
на полупроводника и да се пбстигнат точно определени негови ка-
чества. За направата на полупроводникови прибори се използува
силиций с технологична чистота, определяща специфично съпро-
пшление р = 500-?1000 Q . ст.
1.1.2. Полупроводник с дупчеста проводимост (тип Р)
В кристалната решетка на полупроводника могат да се прибавят
примесни атоми от Ш валентност — например бор (В). Тъй като
и пай-външнаТа електронна обвивка такъв атом има 3 електрона.
не достига един електрон, за да се изгради ковалентна връзка с
чегвъртия от близкостояшпте собствени атоми на полупроводни
л Незапълненото място е еквивалентно на дупка. Свободната
ковалентна връзка може да се запълни с електрон от съседен атом
и.। собствения полупроводник, който от своя страна освобождава
нова дупка (фиг. 3.15). Примесният атом, като приеме електрон,
се превръща в неподвижен отрицателен Йон. Примеси от този тип,
при конто всеки примесен атом приема електрон и в кристалната
решетка се създава дупка, се наричат акцепторни примеси (от
шгл. accept - приемам)
Фиг. 3.15
। >г гледна точка на зонната теория пораждането на дупка oi
'“скц тривалентен примесен атом се обяснява със създаването на
юнплнителни енергийни нива в дъното на забранената зона в не-
57
посредствена близост до валенгнша зона (фиг. 3.16а). При стаи
на температура всички тези допълнителни нива се заемат от елек-
трони, конто напускат валентната зона и освобождават ниво в нея,
т. е. създава се дупка.
На фиг. 3.166 е показана функцията на Ферми — Дирак върху
зонната диаграма на полупроводник oi Р тип. Нивого на Ферми в
този случай е разположено под средата на забранената зона и <
увеличаване на броя на примесните атоми от Ill-а валентност се
приближава към дъното на забранената зона.
Съотношението между концентрациите на дупките и електро
ните в полупроводник с акцепторни примеси е обратно на това при
полупроводник от N тип. Концентрацията на примесните акцептор
ни атоми А/ат определи почти изцяло концентрацията на дупките
в полупроводника, а концентрацията на електроните намалява
защото те заемат свободните дупки.
Тъй като концентрацията на дупките в полупроводника (
акцепторни примеси е значително по-голяма от концентрацията
на електроните, проводимостта се определи основ но от движение
то на дупки. Ето защо дупките се наричат основни токоносители
а електроните неосновни. Полупроводник с такива примеси ст
нарича полупроводник от Р тип или полупроводник с дупчесги
проводимост. Условието за равновесна концентрация в този полу
проводник е
(3.14) ррпр=п;
кьдето с р се означава концентрацията на дупки, а с нр кон
центрацията на електрони в полупроводник от Р тип.
На фиг. 3.17 е представена зависимостта на специфичната про
водимост на примесен полупроводник от температурата. До тем
пература 6 проводимостта расте поради извършващата се йонп
зация на примесните атоми. Тази долна критична температур.i
5«
1.1 германия има стойност — 245'42, а за силиция съответно 190°С.
От температурата t\ до температура t-2 проводимостта слабо се
и (меня, защото всички примесни атоми са йонизирани, а топлин-
п.иа енергия все още не е достатъчна, за да се генерират двойки
глектрон-дупка в собствения полупроводник.
При температура t> t-i прово-
щмостта отново започва да рас
le Причина за това е влиянието
и.। собствената проводимост на
полупроводника, създадена от
юнлинна генерация на електрони
и дупки в собствените атоми на
полупроводника.
Горната критична температу-
ра 1-2 е около -|- 90°С за германия
п -|— 170°С за силиция. По-висо-
мта температура /2 за силиция
Фиг. 3.17
егдължи на по-голямата широчина на забранената зона. Това об-
। юятелство играе съществена роля за по-слабата температурна
|.|висимостна параметрите на силициевите диоди и транзис-
юри.
В табл. 3.1 са дадени основни параметри на полупроводникови
к1 материали германий, силиций и галиев арсенид.
I i б л и ц а 3.1
Параметър Германий Силииий Галиев арсенид
Ьрой атоми в 1 ст3 4,42.10“ 4,99.10“ 4,4.10“
Циелектрична проницаемост, в/ео 16 12 11
Широчина на забранената зона, AIV, еу 0,67 1.23 1,4
Собствена концентрация n,, ст 3 11одвижност на електроните, 9 ст 2,5.10'3 2.10 1.5.106
1‘"’ Vs 1 1одвижност на дупките, 3800 1.40О 1 10011
ст2 < обегвени специфично сЫ1р<и ивлецис. 1 80( I 500 450
!>,. 9 ст Коефициент на дифузия на електроните 6.10‘ 2.107 4.10"'
S Коефпцпеш на дпфузия на дупки н\ ню 36 290
/ _сгнД_ k S 45 13 12
59
3.4.3. Примесна проводимост и протичане на ток
в примесните полупроводници
Примесната проводимост подобно на собствената (3.8), се опре-
дели с израза
(3.15) о = о„ + GP = q (нрп + ррр),
където п е концентрацията на свободните електрони,
р — концентрацията на свободните дупки.
При полупроводник от N тип п>ри проводимостта се опреде-
ли главно от движението на електрони. За Р полупроводник
и проводимостта е дупчеста.
Механизмът на протичане на електричееки ток в примесните
полупроводници не се отличава от механизма при чистия полу-
проводник, илюстриран с фиг. 3.10.
3.5. НЕРАВНОВЕСНА КОНЦЕНТРАЦИЯ. ВРЕМЕ НА ЖИВОТ. ДИФУЗИЯ
Равновесната концентрация съгласно изрази (3.13) и (3.14) се
характеризира с такова състояние на всеки элементарен обем в
кристала, при което произведение™ от концентрацията на дупки
и електрони е число, постоянно за дадена температура, независи-
мо от това, дали полупроводникът е чист или примесен.
Неравновесната концентрация представлява нарушаване на
това условие за дадени зони от кристала. Това може да се причи
ни например, ако се облъчи една от повърхностите със светлина
Електрони поглъщат кванти енергия, под чието действие лесно
разкъеват ковалентните връзки и стават свободни електрони. Кон-
центрацията на свободните електрони и дупки в осветената об
ласт се увеличава спрямо равновесната и се нарича неравновесна
концентрация. Създадените допълнителни токоносители се нари
чат от своя страна неравновесии. Ако се прекрати внезапно облъч
ването, концентрацията на токоносителите (например дупките)
не спада моментално до равновесната си стойност, а намалява
по следния закон с течение на времето /:
i
(3.16) р = р(>-|- \ре тср
к вдето р(, е равновеснаiа концентрация на дупки;
Др — увеличение™ на концентрацията на дупките под
действието на светлината;
тср средно време на живот на неравновесните гоконо
сители; то характеризира скоростта, с която нама
лява концентрацията на неравновесните токоноси
тели (за интервал от време, равно на тср, тя намаля
ва ех:2,7 пъти).
Причината за постепенно™ намаляване на неравновесната коп
центрация след прекратяване на облъчването е, че в своего хао
60
iii'iho движение свободните неравновесии електрони не могат да
попаднат мигновено на местата на дупките. Едни от тях реком-
(ншират по-рано, други по-късно, поради което се говори за сред-
не време на живот тср.
Практически непосредствена рекомбинация на електрон от зо-
п.| га на проводимистта с дупка от валентната зона почти не се из-
ньршва. Рекомбинацията се извършва посредством т. нар. реком-
оинационни центрове. Те представляват примесни атоми и други
(сфекти в кристала, конто предизвикват появата на енергийни
нива в забранената зона. Естествено е, че при наличие на такива
нергийни нива рекомбинацията се улеснява: електрон от зоната
из проводимостта заема това ниво и когато дупка се озове в бли-
юст до рекомбинационния център, тя се «захвата» и рекомбини-
1>.| с електрона на рекомбинационото ниво.
Ако по такъв начин в едната част на кристала се създаде нерав-
новесна концентрация, в резултат на разликата в концентрация-
i.i спрямо другата му част се получава придвижване на токоно-
чиелите от областта с по-голяма концентрация към тази с по-
мллка. Придвижването на частици под действието на разлика в
копцентрациите се нарича дифузно движение, а самото явление -
tin фузия.
Средното разстояние, което изминават неравновесните токоно-
II гели под действието на дифузията за времето на живот тср, се
нарича дифузна дължина — tD. Връзката между дифузната дъл-
кппа и средното време на живот е
(3.17) Ld = VZ)<,
к вдето D се нарича коефициент на дифузията и има размерност
in '/s.
/(.ифузното движение на токоносителите играе важна роля при
прибори, чието действие се основава на явленията в PN прехода.
I к> защо параметрите D и гср са основни параметри, конто харак-
1ризират качествата на полупроводниковите материали. Уста-
U1HICH0 е, че за силиций коефициентът на дифузия на дупките ё
/>,,= 13 cm2/s, а на електроните D„ = 36 cm2/s. Времето на живот
нлияе от редица фактори: концентрация на примеси, темпера-
цфа и др.
Hl ЕЛЕКТРОННО-ДУПЧЕСТ ПРЕХОД
III.I. Същност на електронно-дупчестия преход
I к-ктронно дунчестият или съкратено PN преходъг е уникално
ни к-пие във физиката и електрониката. Теорията, обясняваща
ни нспието в него, и технологиите за получаването му са научна-
। н производствената основа за развитието на полупроводнико-
нн техника.
61
Електронно-дупчестият преход се създава на границата между
два полупроводника от Р и N тип, представляващи единен моно
кристал. Следователно PN преходът не е механичен контакт.
За изясняване на същността на PN прехода и неговите основни
свойства ще използуваме илюстрациите, показани на фиг. 3.18.
62
Па фиг. 3.18а са дадени двете области Р и N, така както биха
< ыцествували поотделно. Концентрацията на дупки р в областта
Р е с няколко порядъка по-голяма от концентрацията на дупки
1>н в областта N, а концентрацията на електрони в N областта
< много по-голяма от концентрацията на електрони пР в Р областта.
I /(повременно с това обаче всеки елементарен обем е електрически
ш-утрален: положителните неподвижни йони в N областта се ком-
пспсират от свободните електрони, а отрицателните йони от Р об-
|.1стта — от свободните дупки.
Нека условно приемем, че е възможна ситуация, при която в
гцин първоначален момент от двете области е образуван общият
монокристал, така както е показано на фиг. 3.186. Разликата в
коицентрациите на дупки в двете области веднага предизвиква
шфузнята им от Р в N областта. Попадании в N областта, те ре-
комбинират със съществуващите там електрони. Под действието
и.| дифузни сили и електрони от N областта дифундират в Р облает -
(.1 и рекомбинират с дупки. Ако дифундиращите частици бяха
електрически неутрални, този процес би продължил до изравня-
II.ше на коицентрациите на дупките и електроните в общия обем
и.। монокристала.
Но както е показано на фиг. 3.186, електрическата неутрал-
iiijc.t на областите, разположени в непосредствена близост от две-
|г страни до т. нар. металургична граница, се нарушава. В N об-
|.1стта остават некомпенсирани положнтелни неподвижни йони,
л н Р областта — отрицателни. Натрупаните заряди в този слой
(<|>нг. 3.18в) създават разлика в потенциалите по оста х (фиг. 3.18г)
и електрнческо поле с интензитет Е= — (фиг. 3.186), къ-
Ах
и го Aip е разликата в потенциалите за достатъчно малко нараст
i.iiie на х.
Очевидно електрическото поле оказва спиращо въздействие на
шфузията на дупки от Р в N областта и на електрони от N в Р
областта. По такъв начин се създава потенциална бариера с ви-
очина фо, при която дифузионните процеси се прекратяват.
('лоят, характерен с обедняване на свободни токоносители и
чч шчие на електрнческо поле, спиращо дифузията на дупки и
и-ктрони, представлява електронно-дупчест преход. Той се от-
шчава с повишено съпротивление спрямо останалите участъци от
Монокристала. Често този слой се нарича спиращ слой.
Основни характеристики на PN прехода са неговата широчина
1 и височината на потенциалната бариера <р0. Когато концентра-
ннята на дупки в областта Р е равна на концентрацията на елек-
||и>||и в областта N, се казва, че PN преходът е симетричен. И на-
in । ина в този случай, за да рекомбинират дупките, дифундирали
и N областта, ще са необходими съответното количество електро-
III и те ще са набавят от облает със същата широчина, с каквато
। областта в Р полупроводника, от която са дифундирали дупки.
63
С други думи, симетричните преходи се характеризират с еднакво
проникване на обеднения слой в двете области на монокристала.
На практика обикновено се използуват несиметрични преходи,
при конто конценрацията на примесите в N и Р областите е раз-
лична.
Ако предположим, че концентрацията на примесите в Р полу-
проводника е по-голяма от концентрацията на примесите в N по-
лупроводника, то дифундиралите дупки от облает с определена ши-
рочина на Р полупроводника ще рекомбипират със съответното коли-
чество електрони, разположени в по-широка облает на N полупровод-
ника. С други думи казано, обедненият на свободни токоносители
слой или PN преходът има по-голяма широчина в онази облает,
конто има по-малка концентрация на примесите.
В зависимост от степентд на .конценрацията на примесите
се различават резки и плавли PN преходи.
Когато концентрациите на примесите са по-големи, обеднена-
та зона се разполага в по-тесен участък и PN преходът е рязък.
При по-малки концентрации на примесите обеднената зона заема
по-широк участък и PN преходът е плавен.
3.6.2. Динамично равновесие на PN прехода
Явленията в PN прехода дотук бяха разгледани като процес на
установяване на статично състояние на структурата, при което
електрическото поле представлява потенциална бариера и не поз-
волява преминаването на дупки от Р в N областта и на електрони
в обратната посока. В действителност статично състояние в сис
темата не съществува. Установеното равновесно състояние има
динамичен характер, който се изразява в следното.
Разпределението на енергиите между основните токоносители
за всеки тип полупроводник е различно. Това означава, че както
дупките, така и електроните, движейки се хаотично, притежава!
различии кинетични енергии. Известен брой от основните токоно
сители (дупките) в Р областта имат такава кинетична енергия, чс
когато движението им е насочено към N областта, успяват да прей
долеят спиращото електрическо поле на прехода и дифундират в N
областта. Те създават дифузен ток от дупки с посока от Р към N
областта — /рдиф (фиг. 3.19).
От друга страна, в N полупроводника съществува и определен.i
незначителна концентрация на неосновни токоносители дупки
(както бе обяснено, те се получават при топлинната генерация
на двойки електрон-дупка от собствени атоми на полупроводнн
ка). Когато хаотично движещи се дупки от N областта попаднат и
областта на PN прехода, те получават допълнително насочено
движение към Р областта под действието на вътрешното електрп
64
'n-ско поле на прехода и преминават в нея. Този процес определи
рейфовия ток от дупки /рдр, който е с противоположна посока на
шфузния ток. Тези два тока са равни помежду си. Размяната на
к поносители между двете области определи известна динами-
ка на равновесие™ между
шфузните и дрейфовите си-
||| Поради тази причина то
< нарича динамично равно-
in (не. Общият ток през пре-
кода е нула.
11о аналогичен начин може
i.i се разсъждава, за да се
обменят дрейфовата и дифуз-
II.на съставка на тока от
к-ктрони (/ядр и /лдиф). Тях-
и.па сума е също равна на
пула.
На фиг. 3.19 са показани
шфузните и дрейфовите по-
)ци на токоносителите през
нрехода. За общия ток може
i.i се напише
Фиг. 3.19
(л 18) 4)бщ Н-^рдр Н-Лднф “НЛдр 0.
На фиг. 3.20 е илюстриран процесът на създаване на PN преход
||>гз зонните диаграми. В полупроводника нивото на Ферми се
Памира в близост до зоната на проводимостта, а в Р полупроводни-
। е разположено в дъното на забранената зона — фиг. 3.20а.
ин) от основните положения във физиката на полупроводници-
। с, че нивото на Ферми WF е еднакво за всички части в равновес-
iiiiie системи, каквато и да е тяхната разнородност. При тази пос-
шовка за реализираната PN структура зонната диаграма се из-
рннява така, както е показано на фиг. 3.206.
На равновесното състояние между Р и N областите съответства
Р шповесна енергийна бариера 1^0, чиято височина се определя с
и цшза
II „ = WF - WF .
li съответствуваща।а погенциална бариера <р() = —— (контакт-
Я
। ii.i потенциална разлика между Р и N областите) е изведен из-
p. I п.т
(119) <p0 = (pr In—In In '1N Pp .
np Pn n‘
i i.ero ф, =--e температурният потенциал (0,026 V за 7 = 300 К);
Я
и pN — концентрацпите на свободни електрони и дупки в N
пи ^проводника;
• ««Kiронни и полупроводников» прибори 65
пр и /у — коицентрациите на свободни електрони и дупки в Г’
полупроводника.
Потенциалната бариера <р0 зависи от температурата на моно
и/ //////////////z
a) JE________________
~7777777777777/
N
/////////////
^F
777777/777777,
Фиг. 3.20
кристала и oi отношение™ на коицентрациите на електроните в
N и Р областта. При стайна температура за използуваните в
практиката примеси <р(1 е около 0,7 V за силиция и 0,3 V за гер
мания.
3.6.3. Включване на външен източник на напрежение
към прехода. Диоден ефект
PN преход с накъсо свързани изводи на областите. Когато външ-
ната верига на PN прехода се свърже накъсо, така както е показа-
но н« фиг. 3.21а, съгласно уравн. (3.18) ток във външната верига
няма да протече. В този случай вътрешната потенциална бариера
<р() се компенсира от контактните потенцпални разлики на метални-
те изводни контакти с Р и N областите.
От казаното следва, че волт-амперната характеристика на пре-
хода минава през началото на координатната система.
Право включване на напрежение към PN прехода. На фиг 3.216
е показано включване на външен източник към прехода, наречено
включване в права посока. При това свързване структурата е в
състояние да пропуска големи токове и представлява диод, вклю-
чен в права посока. Ето защо изводният край на областта Р, към
която се свързва положителният полюс на захранващ източник на
постоянно напрежение, се нарича анод, а изводът от областта N -
катод.
Съгласно закона на Ом външно приложеното напрежение се
разпределя в Р и N областите и в спиращия слой пропорционал-
но на техните съпротивления. Но спиращият слой има много по-
66
Н1ЛЯМО съпротивление от ос-
। шалите области. Ето защо
може да се смята, че външно-
п> папрежение е изцяло при-
южено в зоната на PN пре-
хода. Както се вижда от
||>п| 3.176, напрежението UF
। с обратна полярност на соб-
1 нения потенциал <р0, поради
което резултатната потен-
ппална бариера се намалява
hi (р=<р0—UF- При нулево
НЫ1ШН0 напрежение дифу-
шята на дупки от Р в N об-
шстта се компенсира с обра-
к н дрейф на генерирани дуп-
1Ш от N областта. След при-
тгане на външното напре-
жение и съответното намаля-
и,те на потенциалната ба-
рнера голям брой дупки от Р
областта под действието на
цпфузните сили преминават
и N областта. Това явление
। е нарича инжекция на не-
nt новни токоносители — в
случая дупки от Р в N об-
настта (вж. фиг. 3.216).
С инжекцията обаче на
положителните подвижни
частици от Р в N областта се
нарушава електрическата
пеутралност на областта.
1ова предизвиква моментал-
но набавяне на съответния
орой електрони от отрицател-
и||я полюс на външния из-
1ОЧНИК. По този начин всеки
элементарен обем в N облает -
1.1 добива електрическа неу-
1ралност. Инжектираните
дупки в близост до прехода
< ьвместно с вкараните до-
пьлнително електрони под
действието на разликите в
коицентрациите се придвиж-
нат надясно в зоната на N
областта. Придвижвайки се с
определена скорост, дупките
Фиг. 3.21
67
и електроните рекомбинират след средното време на живот и изми-
нават разстояние, равно на дифузната дължина. По подобен начин
се развиват явленията и в Р областта.
Ако се приеме, че едната от областите е с много по-голяма кон-
центрация на примеси, т.е. е много по-нискоомна от другата, след-
ва, че дифузията на свободни токоносители от тази облает е зна-
чително по-голяма. В този случай и токът във веригата ще се оп-
редели предимно от инжекцията на токоносители от нискоомната
във високоомната облает. Ето защо нискоомната облает се нарича
емитер (по подобие на електронните лампи), а високоомната
база. Ако за прехода, показан на фиг. 3.21, концентрацията на дуп-
ки в Р областта е много по-голяма от тази на електрони в N област-
та, с достатъчна точност може да се смята, че токът в права посока
се определи от инжекцията на дупки и основните процеси на дифу-
зия се развиват в N областта. Р областта в случая е емитер, a N
областта — база. Тези понятия улесняват разглеждането на про-
цесите, още повече, че на практика се работи с несиметрични пре-
ходи, при конто разликата в концентрациите на двете области е
значителна.
Теоретично е установено, а и практически се потвърждава, че
зависимостта на тока от приложеното външно напрежение в пра-
ва посока е експоненциална.
Обратно включване на напрежение към PN прехода. На фиг.
3.21в е показано евързване на външния източник, наречено обрат-
но евързване. Отрицателният полюс е евързан към Р областта
(анод), а положителният — към N областта (катод). В този слу-
чай потенциалната бариера се увеличава със стойност, равна на
UR, и инжекцията на неосновни токоносители в двете посоки се
преустановява при сравнително малки външни напрежения (0,5 -
1 V). По този начин дифузните съставки на тока стават нула и об-
щият ток във веригата се определи от дрейфовия ток на електро-
ни от Р в областта и на дупки от N в Р областта. Тези токоносите-
ли, както вече обяснихме, са неосновни за областите, откъдето за-
почват своето насочено движение. Те лесно преминават потенциал-
ната бариера под действие на сумарното поле, образувано от обем-
ния заряд и приложеното напрежение. Увеличаване на напреже-
нието до определени граници на електричееки пробив, който ще
обясним по-късно, не изменя броя на неосновните токоносители
за всяка облает, тъй като енергията на електростатичното поле на
приложеното външно напрежение не е достатъчна за генериране
на двойки електрон-дупка. Ето защо токът във веригата при обрат-
но включване на външното напрежение е много малък и се опреде-
ли от топлинната генерация на токоносителите. Той записи от тем-
пературата и е почти независим от напрежението до достигане на
пробивните напрежения. Произходът на този ток — термогенера-
ция на неосновните токоносители в двете области, определи и не-
говото наименование — топлинен. Тъй като количествено той поч-
68
iii не зависи от приложеното напрежение, нарича се още и ток на
шиищане.
Изграждането на по-висока потенциална бариера и образуване-
||| на по-голямо количество обемни заряди при прилагане на обрат-
но напрежение става за сметка на допълнително обедняване на
нрехода на свободни токоносители, защото вътрешното електри-
чсско поле ги отблъсква. Това води до разширяване на PN прехода
(фиг. 3.21 в).
От обяснението за същността на PN прехода и поведението му
при прилагане на напрежение в двете посоки става
нс но, че той има силно изразен диоден (вентилей) ефект — пропус-
ка ток еднопосочно.
На фиг. 3.22 са показани зонните диаграми, съответстващи
на разгледаните три случая на евързване на външно напрежение
към PN прехода. И в трите случая нивото на Фер
мн в дълбочината на областите е приближено до валентната зона
на Р полупроводника и до зоната на проводимостта на N полупро-
нодника. При подаване на външно напрежение в права посока
фиг. 3.226, енергийната бариера намалява на стойност 1^=^((ро —
-UF), широчината на електронно дупчестия преход също нама-
1ява, а нивото на Ферми се измества на стойност, равна на вън-
шно подаденото напрежение. При подадено външно напрежение
с обратна полярност измененията са в противоположна посока
(фиг. 3.22в).
3.6.4. Волт-амперна характеристика на PN прехода
Теоретична волт-амперна характеристика. Зависимостта между
кжа и напрежението на PN прехода се дава с неговата волт-ампер-
иа характеристика (ВАХ).
69
Както беше обяснено, при право включване на PN прехода токтя
във веригата рязко нараства по експоненциален закон с увелича
ване на напрежението, докато при обратно включване той е незна
чителен и почти не зависи от напрежението. Теоретично изведеният
закон за волт-амперната характеристика на PN прехода е
(3.20) / = 4(^-|).
където /s е токът на насищане или топлинният ток;
U — приложеното външно напрежение;
е — основата на натуралните логаритми.
Когато е приложено право напрежение UF> 0 (от англ, for
ward — право), експоненциалният член на израза става много
кратно по-голям от 1. Тогава може да се напише следният опростев
израз за тока в права посока:
Uf
(3.21) lF=lse4'
Когато е приложено обратно напрежение UR <0 (от англ, rever
se — обратно), показателят на експоненциалния член става с от
рицателен знак и при напрежение |(7R|> 0,1 V този член може да
се пренебрегне. Тогава за тока в обратна посока се получава
(3.22) /р = /s = const.
На фш . 3.23 е дадена георшичнага волт-амперна харак ирисi н
ка на PN прехода, коятое графично изображение на зависимостта,
дадена с израза (3.20). Тя отразява силно изразените вентилни
свойства на PN прехода, което определя непосредственото му из-
ползуваие за изработване на полупроводникови диоди.
Реална волт-амперна характеристика. Реалната волт-амперна
характеристика на PN прехода се различава от тсоретичната, да-
дена на фиг. 3.23 с плътна линия, а именно:
1. С нарастване на тока в права посока заночва да оказва съ-
ществено влияние омичното съпротивленис на Р и N областите,
поради което реалната волт-амперна характеристика има отклоне-
ние от експоненциалната крива и може да се апроксимира с права
линия (фиг. 3.23).
2. Съгласно (3.22) обратният токе постоянна величина в смисъл,
че не зависи от стойността на приложеното обратно напрежение.
За реалии PN преходи това не е така. Освен топлинната състав-
ка на обратния ток протича и ток на утечка, който нараства с уве-
личаване на приложеното напрежение.
3. Когато обратного напрежение достигне определена критична
стойност, настъпва пробив, т.е. рязко увеличаванс на обратния ток
в PN прехода. Според причината и характера на нарастването на
електрическия ток се различават следните видове пробиви: лави-
нен ценеров (полеви) и топлинен.
70
От (3.21) се вижда, че токът твърде бързо се увеличава снараст-
H.IIICTO на приложеното към PN прехода напрежение в права посо-
। .1 11оради тази причина е доста трудно да се получи необходимият
ЮК чрез задаване на напрежението и е по-удобно работата на дио-
1.1 да се разглежда в режим на зададен постоянен гок. За целта
чрез логаритмуване на (3.21) се получава
(3.23)
kT
ч
III (
lF
/,
Or (3.23) следва, че за диоди с по-малки обратни токове /s оире-
1слен ток lF се получава при
но-големи напрежения UF.
Поради тази причина в сили
цпсвите диоди иадът на напре-
/кението е с около 0,35 V по-го
лям отколкото при германиеви
If диоди.
Изразъг (3.23) показвасъщо
мка, че правото напрежение
при постоянен ток зависи от
н'мпературата:
(3.24) UF (bT)=UF (Г) + еДГ,
Фиг. 3.24
MJF
к вдето e = TKUf — - е температурен коефициент на правото
напрежение и има отрицателен знак. Това означава, че при пови-
шаване на температурата падът на напрежението върху PN пре-
хода, евързан в права посока, намалява — фиг. 3.24.
71
За силициеви прибори TKUF варира от е= — 1,5 mV/° С за нор
мален режим до е= —2 mV/°C за микрорежим (при много малки
токове).
3.6.5. Пробиви в PN преходите
Лавинният пробив се получава в резултат на т.нар. ударна йони
зация на собствени атоми на полупроводника, предизвикана от
придвижвашите се с голяма скорост токоносители. При увеличава
не на външното напрежение нараства интензитетът на електриче
ското поле вътре в прехода, което придава голяма скорост на дрей
фа на неосновните носители. Те добиват голяма кинетична енергия
и са в състояние да разкъсат ковалентните връзки на атомите, ос
вобождавайки нови двойки електрон-дупка, конто отново се ус-
коряват,и т.н. В резултат на този лавинообразен процес броят на
токоносителите рязко се увеличава и следователно рязко се увели-
чава обратният ток. Лавинният пробив се проявява при широки
преходи (малки концентрации на примесите), защото е необходи-
мо по-дълго време за повишаване на енергията на токоносители-
те, за да се получи ударната ионизация. Той е характерен за сили-
циеви PN преходи.
Ценеровият или както се нарича още полеви или тунелен пробив
се причинява от допълнителната генерация на двойки електрон-
дупка в областта на прехода под прякото действие на интензите-
та на полето. Най-често се проявява при тесни преходи (голяма
концентрация на примесите), при което външното напрежение се
прилага на малко разстояние и интензитетът на полето рязко на-
раства.
Лавинният и полевият пробив са електрически (под действие
на електрическото поле) и не причиняват повреждане на прехода,
т. е. те са обратими пробиви.
Топлинният пробив се дължи на повишаване на температурата
на кристала в резултат на превръщане на разсеяната електрическа
мощност върху PN прехода (PK = UR1R) в топлина.
Повишаването на температурата предизвиква нарастване на
обратния ток поради топлинна генерация на неосновни токоноси-
тели във всяка облает на кристала, което от своя страна увеличава
разсеяната мощност, респ. температурата на прехода и т.н. Про-
цесът на тази верижна реакция завършва с настъпване на необра-
тим пробив — разтопяване на прехода и създаване на верига на
късо съединение. Следователно този вид пробив поврежда полу-
проводникового прибори. С повишаване на температурата на пре-
хода по каквито и да е причини напрежението на топлинния про-
бив намалява. Именно поради това в полупроводниковите мате-
риали с по-малка широчина на забранената зона, какъвто е гер-
маният, веднага след появата на лавинен или полеви пробив по-
ради повишаване на температурата на прехода възниква и топ-
72
шиен пробив (характеристика 2 от фиг. 3.25). За силициевите PN
преходи температурната зависимост на напрежението на топлин-
ння пробив е по-слаба и ако се вземат никои конструктивни и тех-
нологична мерки, могат да се получат значителни разсеяни мощ-
ности при ценеровия пробив, без да настъпи топлинен пробив.
Участъкът на пробива върху волт-амперната характеристика в то-
ш случай се отличава с почти неизменно пробивно напрежение при
рязко нарастване на тока — характеристика 1 от фиг. 3.25. Тази
особеност намира широко приложение за направата на силициеви
ггабилитрони или както се наричат още, ценерови диоди.
В заключение може да се каже следното. Електронно-дупчести-
яг преход има силно изразени вентилни (диодни) свойства. За раз-
ница от ламповия диод той може да пропуска големи токове (сто-
пщи и хиляди ампери при достатъчна площ на прехода). Прово-
цимостта му в права посока е характерна с много малък пад на
напрежението — около 0,5—1 V. Електронновакуумните диоди
нропускат максимални токове 100—200 mA при пад на напреже-
ппсто 30—50 V. Йонните вентили издържат на големи токове, но
с ыцо при значителен пад в участъка анод — катод.
Причината за големите предимства на PN преходите е в самия
характер на движение на токоносителите в твърдото тяло. Прило-
женото напрежение само понижава йотенциалната бариера и така
норажда интензивни инжекции. Движението на инжектираните
неосновни носители в областите е в резултат на дифузията. При
глектронните лампи движението на електроните във вакуума
иисква голям интензитет на електрическото поле, което налага
нрилагането на високи анодни напрежения.
73
3.6.6. Дифузен и бариерен капацитет на PN прехода
Дифузен капацитет. Елемент от електрическа верига проявява
капацитивна реакция, когато при изменение на подаденото напре-
жение се измени количеството електричество в него.
При изменение на правого напрежение, подавано към PN пре-
хода — фиг. 3.26, се измени концентрацията на инжектираните
неосновни токоносители, а следователно и отрицателният заряд
— Q в Р областта и положителният заряд +Q в N областта Това
изменение на заряда се възприема от външната верига като елек-
трически капацитет. Понеже е свързан с дифузните процеси, ха-
рактеризиращи работата на PN прехода в права посока, този капа-
цитет се нарича дифузен капацитет. За него е изведена формулата
(3.25) CD= Q = ~~ (/щ тп-|-/рО тр),
/\ цУ 1
където / и I са дифузните токове от електрони и дупки;
тп, тр— средно време на живот на неосновните токоносители.
Изразът (3.25) показва, че дифузният капацитет е пропорцио-
нален на дифузния ток и времето на живот на неосновните токоно-
сители.
Дифузният капацитет играе роля при работата на диоди и тран-
зистори във високочестотни схеми.
Бариерен капацитет. Когато към PN преход се подаде отрица-
телно напрежение — фиг. 3.27, потенциалната бариера нараства и
широчината на PN прехода се увеличава. Следователно преходът
Фиг. 3.26
Фиг. 3 27
може да се представи като кондензатор, чиито плочи се раздало
чават (крайните участъци на областта, в която действуват елект
рическите заряди) при увеличаване на приложеното обратно на
прежение. Този кондензатор се характеризира с капацитет, наре
74
•пн бариерен (понеже е свьрзан с потенциалната бариера). Ба-
рнерният капацитет се определи като отношение на изменение™
на сумарния обемен заряд Д<2з към изменението на приложеното
обратно напрежение около определена работна точка:
(3.26) Ст=4тг
Ьариерният капацитет завися от приложеното постоянно обрат-
но напрежение б/^.т.е. от работната точка върху обратния клон
на волт-амперната характеристика. С увеличаването на UR (по аб-
го.потна стойност) този капацитет намалява. Зависимостта му
oi приложеното напрежение се дава със следния израз:
(1*41+<ро)" ’
• I. ICTO
К е константа, зависеща право пропорционално от площта
на PN прехода, от диелектричйата проницаемост на
материала и др.;
п 1 /2 за резки и пх 1/3 за плавни преходи.
Зависимостта на бариерния капацитет на PN прехода от стой
по(тта на приложеното постоянно напрежение в обратна посока
•• пзползува за изработване на специални прибори с управляем
к шацитет, наречени варикапа.
1.7. ТЕХНОЛОГИЧНЫ ОСНОВИ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИТЕ ПРИБОРИ
И МИКРОЕЛЕКТРОНИКАТА
.1.7.1. Получаване на полупроводници
Рпзгледаните дотук явления в полупроводниците и PN прехода
показват, че е необходимо изходният материал да има голяма чис-
юга и правилна монокристална структура. Полупроводниковите
магериали в природата не отговарят на тези условия и се подла-
|.|г на сложни технологични обработки.
Силицият се получава от SiO2 (пясък, кварц). За целта изход-
ппят материал се поставя в специални пещи съвместно с въглерод.
< лед подходяща химическа обработка се оформят блокове със сте-
пей на чистота 98%. Полученият силиций има поликристална
пруктура и недопустимо голяма концентрация на различии при-
меси. За допълнително очистване с едновременно получаване на
монокристална структура се използува методът на зонно стапяне,
по по-често се използува методът на Чохларски за изтегляне на
мопокристали.
Пзтеглените монокристали имат формата на продълговати пръ-
III (слитъци) (фиг. 3.28а), конто след това се нарязват на тънки
75
пластини — фиг. 3.286. Пластините от своя страна се подлагат на
редица допълнителни механични и химични обработки, така че по
върхността им добива полярна гладкост. След това се почистват
от външни замърсявания и се подсушават.
Така получените полупроводникови пластини са изходен про
дукт за произволството на полупроводникови прибори и интеграл
ни схеми. Върху тях ct изграждат различните слоеве на структу
рата на прибора, поради което се наричат подложки.
3.7.2. Основни процеси за създаване
на полупроводникови структури
Първоначално една от най-разпространените технологии за по
лучаване на полупроводникови структури беше сплавната. Тя се
използуваше за производството на германиеви прибори, а сега на
мира приложение при изготвяне на някои мощни диоди, транзис
тори и тиристори. При тази технология получените и специално
обработени пластини от слитъка се нарязват на малки пластин
ки — фиг. 3.286,в, всяка от конто се подлага на определени техно
логични процеси до получаване на PN преход.
На фиг. 3.29а е показана структура на германиев диод, получен
чрез сплавна технология. Върху изходна пластина от N тип чрез
специална графитова касета се поставя малко зрънце от материал
от III валентност, най-често индий, и цялата система се загрява
в пещ в атмосфера с инертен газ (за да не се получи окисляване).
Индият се топи при 155°С, а при увеличаване на температурата до
500—550°С се разтваря частично в германия. При охлаждане на
системата индият рекристализира и образува в германиевата плас-
тина облает от Р тип, като по този начин се сьздава PN преход
В съвременното производство на полупроводникови прибори и
на интегрални схеми се използуват друг принцип на организация
на операциите и по-съвременни технологични начини за вкарване
76
ни примеси и създаване на РК преходи. Основните технологични
пронеси се провеждат върху цялата пластина, след което тя се на-
ри та на отделил малки пластинки, всяка от тях представляваща
nine готова структура (чип) на полупроводниковия прибор или
Нагребател за Si
Рг05
[I
Нагрейател
Кбарцрва
тръОа
Тагел за
силициебите
заРгО5 пластини
шиегралпа схема. По този начин отделимте чипове (фиг. 2L28e)
ш посредствено след нарязването са готови за запояване на изво-
III ге и затваряне в корпус.
Основните технологични процеси, в случая наричани групови
процеси, са дифузия, йонно внедряване (йонна имплантация);
гпнтаксия, окисляване, метализация, химично отлагане на диелек-
||>нчни и полупроводникови слоеве.
След провеждане на необходимите операции различии.слоеве на
(руктурата излизат на една и съща равнина, от конто принципно
могат да се вземат съответните изводи на прибора (фиг. 3.296).
гова тази технология се нарича планарна. Когато се използува
и процесът на епитаксия, приберите се наричат планарно-епитак-
< иални.
Дифузия. Този процес е с най-широко приложение при произвол
Iкото на полупроводникови прибори и микроелектронни струк-
।ури. Самата дифузия като физично явление представлява прид-
ипжване на частици в определена среда под действието на сили,
in. тикващи от разликата в концентрациите на тези частици. До-
ки го в PN прехода дифузията се проявява като движение на сво-
бодни носители на тока, тук явлението дифузия се използува за
иридвижване на примесни атоми от III или V валентност от повърх-
постта на пластината в обема й.
(1а фиг. 3.30 е показано устройство за дифузно създаване на
I’N преходи. Нарича се дифузионна пещ. Газът носител (азот) пре-
пися Р2О5 върху повърхността на силициеви пластини от Р тип.
Люмите на фосфора (V валентност) след това дифундират в из-
кодните пластини, като скоростта на дифузия се определи от темпе-
ра гурата на силициевите пластини, а дълбочината на дифузия —
hi иреметраенето на процеса.
7Y
'Г*. *.<гр«л J
В интегралната техника се използува дифузия на злато. Нейната
особеност е, че златото дифундира в целия обем на монокристала,
без да променя типа на проводимостта. Заемайки мёждувъзлия
на кристалната решетка, атомите създават допълнителни реком
бинационни центрове и намаляват рязко времето на живот на не
основните токоносители. Това играе важна роля за повишаване
.на бързодействието на полупроводниковите прибори и интегрални
те схеми.
Йонна имплантация. Характерно за нея е, че максималната кон
центрация на примесите се получава не на повърхността както
при дифузията, а на определена дълбочина в подложката. Още
по-важно обаче е, че чрез йонната имплантация могат да се съз
дават много тънки и качествени слоеве. Внедряването на примес
ните атоми става след тяхното йонизиране и ускоряване в електро
статичен ускорител (50—300 keV). Бомбардирайки подложката,
тези атоми проникват в нея на дълбочина от 0,1 до 2 цт.
Епитаксия. При този процес полупроводникови слоеве израст
ват над повърхността на подложката. Подложка може да бъде не
само полупроводниковата пластина, но и диелектрик — например
сапфир.
Разпределението на примесите в епитаксиалния слой е почти
равномерно (с изключение на областта, близка до границата с под
ложката). Чрез епитаксията се създават добре контролируеми и
качествени PN преходи.
Епитаксиалните слоеве се създават в специални реактори. При
висока температура се извършва химична реакция между съеди
нения на силиция (SiCh) и примесни атоми. От SiCU се отдели Si.
За отделяне на примесни атоми от III валентност се използуват
съединения на бора (ВС1з, ВВг3, В2Н6), а примеси от V валентност
се получават от съединения на фосфора (РС1з, РНз).
Термично окисляване. Този начин се използува за получаване
на тънки изолационни слоеве. Извършва се в специални пещи при
температура 1000—1200°С и в кислородна атмосфера. За целта
могат да се използуват и дифузионните пещи. В резултат на окис
ляването върху повърхностите на пластината се получава много
тънък слой от SiO2, който е добър електрически изолатор и защи
тава структурата от влага и замърсяване.
/детализация. Метализацията се прави на участъците, от конто
се вземат изводите от различимте слоеве. При интегралните схеми
чрез нея се осъществява електрическа връзка между отделим еле
менти и възли на схемата. Основни методи за метализация са ва
куумното изпаряване и катодного разпрашаване. Както подсказва
самото име, при вакуумното изпаряване в специална вакуумна ка
мера металът, който ще се нанася, се нагрява до изпаряване. Па
рите на веществото се движат във всички посоки и една част от тях
проникват в подложката.
Фотолитография. Така както бяха описани пронесите на дифу
78
шя, епитаксия и метализация, става ясно, че те създават непре-
м.снати слоеве, подредени един върху друг на повърхността на
и 1ходната пластина. Така например при вакуумното изпаряване
ще се метализира цялата повърхност, а електрическата връзка е
необходима само между никои участъци.
Ето защо важна и неделима част от общия технологичен процес
при про извод ството на полупроводникови прибори и микроелек-
। ронни схеми е литографията. Литографията е процес на пренася-
ис на изображение от топологичния чертеж върху повърхността на
пластината. Крайната цел е провежданият процес на дифузия,
епитаксия и метализация да се прояви само в точно определени
участъци от повърхността на подложката. Защитното релефно
покритие се нарича маска. Литографските процеси биват: фотоли-
|<>графия, електронна литография, рентгенолитография и лазер-
па литография.
Фотолитографията е основен технологичен процес в произведет-
пого на прибори и интегрални схеми. При нея се използуват фото-
чувствителни материали — фотолакове, конто се нанасят във вид
h.i тънък филм върху подложката. Така нанесеният слой се нарича
фоторезист.
Лко фоторезистът се облъчи в определени участъци с ултравио-
ii-гова светлина, след проявяването му върху подложката остава
фоторезист само по необлъчените места (съществуват и фоторе-
шсти с обратно действие).
Друго много важно свойство на фоторезиста е устойчивостта му
п.। химично ецване (разяждане чрез киселини). Това позволява
огделянето на материал само от онези участъци на подложката,
конто не са загцитени от фоторе-
шста — фиг. 3.31.
На фиг. 3.32 е показана техно-
логична последователност за съз-
1.1ване на диодна структура.
1. Изходна силициева Пластина.
Чрез нагряване във влажен кис-
юрод или азот при температура
1200°С на повърхността на плас-
пшата се създава много тънък
слой от силициев двуокис (под
I цт). Този слой има две важни
ы случая свойства. Първото от
nix е, че не позволява дифузия на
фосфор, арсен, бор и други при-
меси. Второто свойство е, че пред-
сгавлява един солиден защитен
слой на полупроводника от влага,
2. Нанасяне върху окисния слой на фоторезист — материал,
чувствителен на ултравиолетовата светлина и непозволяващ ра-
1яждане на окисния слой в следващата операция.
светлина
фотошаблон
Окисен слой
ПоВложка
Фиг. 3.31
Негативен
фоторезист
замърсявания и т.н.
79
3. Поставяне на фотомаска на повърхността на фоторезиста и
облъчване с ултравиолетова светлина в определен участък.
4. След проявяване на фоторезиста се получава прозорец, през
който се открива повърхността на окисния слой.
1 Окислена пластина
2 -Нанасяне на фоторезист
фоторезис"
- S10,
УлтраОиолетоба
сбетлина
SiO.
3-Изолация с сротомаска
фото -
маска
фо торе -
зист
4--Сваляно на фоторезиста
фоторезист
тлимершит
SiO?
Киселина
5 -Локално отнемане на
окиса
Дифузия
7 - Дисрузия на примеси
Фиг. 3.32
5. Атакува се пластиката с киселина (химично ецване). Фото
резистът е устойчив и се разяжда'само окисният слой. По този на
чин през прозореца се открива дост'ъп до полупроводниковата
пластина.
80
(>. Сваля се фоторезистивният слой в структура с отворен прозо-
|к ц върху силициевия слой.
7. Структурата се подлага на дифузия (фосфор). Примесните
П1ОМИ проникват само през отворения прозорец и създават локален
PN преход.
11о подобен начин може да се разкрие участък от N полупровод-
ника, след което да се вземат изводи от двата слоя.
11ри производството на дискретни полупроводникови прибори
Ki.pxy една изходна пластина се проектират по няколко хиляди
иноди или транзистори в зависимост от диаметъра на изходната
пластина. Тенденция в съвременното производство на интегрални
i хеми е преминаване към пластини с диаметър 150 mm.
ИЗВОДИ
Действие!о на полупроводниковите прибори се основава
на движението на свободни електрони в твьрдото тяло.
Това движение бива два вида: дрейфово — под действието
на електрическото поле, и дифузно под влияние на раз-
ликата в концентрациите на токоносителите в обема на
полупроводника. Дрейфовото движение на електроните
е характерно за чист полупроводник или за полупровод-
ник с примеси, в който няма PN преход. Това движение
определи собствена или примесна проводимост. Специфич-
ната проводимост на полупроводника зависи от концен-
трацията на свободните токоносители и тяхната подвиж-
ност (скоростта за единица интензитет на електрическо-
то поле).
Концентрацията на свободните токоносители от своя
страна зависи само от температурата. Затова с повиша-
ване на температурата проводимостта на чистия полупро-
водник нараства.
При стайна температура всеки примесен атом от III и
V валентност създава по един свободен електрон, респ.
дупка. Така се получават примесни полупроводници с елек-
тронна (тип N), съответно дупчеста (тип Р) проводимост.
Когато.в единен монокристал се създават два такива по-
лупроводника, границата между тях представлява елек
тронно-дупчест или PN преход.
Електронно-дупчестият преход има силно изразени вен-
тилни свойства. Използува се за направа на полупровод-
никови диоди и транзистори. Провеждането на тока в пра-
ва посока се осъществява по пътя на намаляваце на по-
тенциалната бариера на PN прехода и инжекция на неос-
Il I 'Н’ктронни и полупроводникови прибори
81
IIUHIUI И4Н.НН I l Hi* I .nJ Э.1Щ14.1 it *<5111*1*4113 >11<*ЧИ I * . I ti*
1 '• . !''• < I"'- ' ' ....... ' MllobllK .'llf‘>!!l! ("
2 V вмести 10—50 V)
J leu /Ke ни сто на и л /К • > г >; • * ; * • । • <м > н* ч . । *-.> и in > н и i. ।
। i.k юаиэ и** инру-'ен ны । - t • необходимо е-аскщи
" с. • I . ... I. I 1.4 H \ .ф, | К I l'p.1,1 ' •>•»»,*•*. f О1ф€ До. 1Я HI. ' ' ’ . I'
Кветта за работа ни пмупрООДОНЮсовите прибори при ннс
к.ч нз<1|И'ЖеНИЯ ел но of Ki iioBHHic п ч щмстна прел ели*.
>роняйle лампн
Въпроси и задачи
1. Какви са предимствата на полупроводниковите прибори пред електрониитс
лампи?
2. Какво представлява дрейфовото движение на електроните и що е подвижност?
Как се изразява специфичната проводимост чрез нея?
3. Какво е влиянието на температурата върху съпротивлението на метали и полу
проводници?
4. Какво представляват ковалентните връзки и каква е ролята им за проводимост
та?
5. Дайте кратко определение на собствената и на примесната проводимост.
6. Какво представляват равновесната и неравновесната концентрация? Що е сред
но време иа живот и що е дифузна дължина?
7. Опишете накратко явленията в PN прехода, конто създават потенциалната ба
риера.
8. Какви процеси определят вентилния ефект на PN прехода?
9. Избройте груповите технологични процеси в съвременното производство на
полупроводникови прибори.
10. Начертайте диодна планарна структура.
ГЛАВА ЧЕТВЪРГА
ПОЛУПРОВОДНИКОВИ диоди
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИТЕ ДИОДИ
Полупроводниковият диод е PN структура, поставена в специален
корпус и с изводи от Р и N областите. По този начин структурата
се предпазва от влияния на околната среда и се създава възмож
ноет за монтаж на прибора в електрически схеми.
Според типа на кристалната структура полупроводниковите
диоди могат да се разделят на две основни групп: поликристални
(когато полупроводникът е съставен от много кристали) и моно
82
щнстални (когато полупроводникът представлява един единствен
। ристал). Към първата трупа се причисляват селеновите и медно-
ihпените диоди. Монокристалните диоди според изходните мате-
ри. 1ли се разделят на германиеви и силициеви, а според начина на
|>|>рмиране на PN прехода — на плоскостей и точкови.
< .норед свойствата и приложенията си полупроводниковите дио-
II биват: изправителни, високочестотни, импулени, СВЧ диоди,
инорни (ценерови), превключващи, варикапи, тунелни диоди, фо-
1<"1иоди и др.
('.поред честотната облает, в която могат да работят, полупро-
ичдниковите диоди се делят на диоди за ниска и висока частота и
.«ръхвисокочестотни диоди. Към първата обща трупа спадат: из-
4>авителни диоди, универсалии, импулени, ценерови диоди и вари-
hutiu. Свръхвисокочестотните диоди включват: смесителни, видео-
дегектори, модулаторни, параметрични, превключващи, умножи-
те IHU.
Специална трупа са фотодиодите.
Условного графично означение на диодите е дадено на фиг. 4.1а.
Диодът се използува като ключов елемент или като преобразу-
шнел на променливо напрежение в постоянно напрежение. Той би
бил идеален ключ, ако в права посока представлява късо съедине-
нне, а в обратна посока — прекъсната верига — фиг. 4.16, в. На
фш 4.1г са показани за сравнение волт-амперни характеристики
и । идеален диод, силициев диод, германиев диод и диод на Шотки.
83
4.2. ИЗПРАВИТЕЛНИ ДИОДИ
4.2.1 Общи сведения и конструктивны особености
За преобразуване на променливото напрежение от електрозахран
ващата мрежа с честота 50 Hz в постоянно напрежение се изпол
зуват т. нар. изправителни диоди.
Електронно-дупчестият преход в изправителните диоди се полу
чава чрез сплавна, дифузна или епитаксиална технология.
Според допустимия ток В'права посока изправителните диоди се
делят на:
— маломощна — с допустим ток до 0,3 А;
— средномощни — с допустим ток от 0,3 до 10 А;
— мощни — с допустим ток, по-голям от 10 А.
Маломощните изправителни диоди се монтират в металостъклеи
или пластмасов корпус (фиг. 4.2а). Пластмасовите корпуси позво
ляват да се автоматизира процесът на затваряне на кристала и
корпуса, което поевтинява произволството.
Вьншен извод
Тръбичка
Изолагпор
СлюОена
шайба
Втулка
гайка
Силиций
Кристала-
иържател
Типлоотвой
Фиг. 4.2
Средномощните диоди се поместват най-често в металостькленп
корпуси. На фиг. 4.26 е даден разрез на конструкцията на сьвет
ския силициев диод Д202 (с максимален допустим изправен ток
10 А). Диодът е приспособен за стабилно закрепване посредством
84
тки, което позволява да се монтира към металла охладителни
I НОЧИ.
На фиг. 4.2в е дадена конструкцията на мощен силициев диод
НК2-2ОО. След закрепването му към специално охладително тя-
Н1 радиатор, посредством шпилки, този диод може да пропуска
||<к гоянен ток до 200 А.
I 2.2. Динамичен режим на диода. Работа в схема
ни еднополупериоден изправител при активен товар
II.। фиг. 4.3 е показана електрическа схема, в която диодът работи
й динамичен режим. С помощта на потенциометъра RP се измени
кранващото напрежение Е, а с амперметъра А се отчита токът,
нрогичащ през веригата диод — товарен резистор.
Като се приложи вторият закон на Кирхоф, за затворения контур
нолучава
I I) Е — UF-\~ IFR:
I ова е уравнението на товарната права. Тя представлява права
шния, която може да се прекара в полето на волт-амперната ха-
11ктеристика на диода за определени стойности на напрежение-
HI Е и съпротивлението /?., — фиг. 4.36.
5а целта е достатъчно да се построят две произволни точки от
привата линия, като например:
ia /f=0 от (4.1) се получава UF = Е и т. М (Е, 0);
ia UF=0 се получава lF=^— и т. N /Ь, —Y
RT \ RT /
На фиг. 4.36 е прекарана товарната права за Е = 2 V и RT =
• =4 Q. Тъй като токът IF и напрежението UF са свър-
85
зани помежду си както чрез товарната права (4.1), така и посред-
ством волт-амперната характеристика на диода, следва, че в си<
темата ще се установи работна точка А, определена от пресичл
нето им.
За конкретния случай на фиг. 4.3 работната точка А определи
постоянен ток през диода IF =0,3 А и над на напрежението върху
него UF =0,8 V. Върху товарния резистор се получава напрежепш
URt = IfR = Е-Uf = 2 V-0,8 V= 1,2 V.
Общата мощност, консумирана от източника, е P^—E.IF -J
=2 V . 0,3 А = 0,6 W.
Отделената мощност в диода е PD—IF . UF =0,3 А.0,8 V = 0,24 W и
в товарния резистор съответно PR = IFUR =0,3 А.1,2 V = 0,36 \\
За коефициента на полезно действие q, определен като отношент
на отделената в товарния резистор мощност и общата мощност Г
се намира
PR
q=-^-.100
Ро
0,36 W
0,6 W
.100=60%.
86
Лко напрежението Е се измени от нула до някаква стойност ЕП1ах
и ,а определени стойкости на Е се построят последователно товар-
ище прави, може да се очертае динамичната характеристика за
шода IF=f(E) R, ^=0 (показана с прекъсвана линия на фиг. 4.36).
Ла фиг. 4.4а е показана схема на еднополупериоден токоизпра-
U111 ел при активен товар. На фиг. 4.4б е илюстрирана работата
и । схемата върху полетата на волт-амперната характеристика на
шода. Тъй като напрежението ич, което захранва веригата диод
шпарен резистор, е със синусоидна форма, за положителните полу-
|||.лии на това напрежение диодът ще работи в права посока, а за
।рицателните полувълни — в обратна.
Па фиг. 4.46 е показано изменение™ на товарната права с вре-
мею. Така за върховата стойност на напрежението Uim се достига
рлботна точка А и се определи максимален ток hm-
В обратна посока диодът пропуска незначителен ток, който се
прснебрегва спрямо тока в права посока. Тогава за средната стой-
цост на изправения ток може да се напише
112) E, = ^l
2л
На фиг. 4.46 е прекарана товарна права и в полето на обратната
колт-амперна характеристика на диода. За върховата стойност на
нанрежението Ucm се получава работната точка А', конто определи
максимално обратно напрежение върху диода URm. На практика
'г приема URm= U^m-
1.2.3. Основни параметри на изправителните диоди
Основните параметри на изправителните диоди са евързани с волт
лмперната им характеристика и с тяхното приложение.
1. Максимално допустим постоянен ток lFmm. Този ток определи
1агубната мощност PF=lFmMUF, конто загрява прехода. Темпера-
।урата на прехода /, (junction — преход) на енлициевите прибора
не трябва да превишава 125‘ С4- 150°С. По този критерий се опре-
н’ля 4,пах, който се дава в справочниците.
При работа на диода в права посока винаги трябва да е изпъл
нено условието <;,11ах.
2. Максимално допустим изправен ток /()тах. Критерия! за него
пого определяне е аналогичен на този за IFmin- Определи се обаче
не за постоянен ток, а за токоизправителната схема от фиг. 4.4а
при честота 50 Hz.
Винаги в практически реализираните схеми трябва да е изпълпе-
ни условие™
<''-4>тах-
Маломощните изиравителни диоди работяг без допълнително
пгвеждане на топлината. Средномощните и мощните диоди почти
87
винаги се монтират върху охлаждащи метални плочи или специал
им охладителни ребра — радиатори. Ето защо. когато се използ}
ват максимално допустимите параметри, трябва да се имат предввд
условията, при конто са дадени в справочникиic
Условията за топлоотделяие се характеризират с параметъра
топлинно съпротивление или термична константа Rlh. Той харак
теризира както диодите, така и транзисторите и интегралните схе
ми. Топлинното съпротивление между две среди ноказва при какво
отношение на температурната разлика на тези две среди и от деле -
ната електрическа мощност настъпва топлинно равновесие в сис
темата.
В полупроводииковия диод основната част от топлината се от-
дели в PN прехода, тъй като в него се разсейва преобладаващата
част от загубната мощност. Ето защо температурата на PN пре-
хода е най-висока. Температурата на околната среда ta (от ambi-
ent — -околна среда) е по-ниска. Топлинното съпротивление се
определи с израза
(4.3)
където Р е отделената загубна мощност в прибора.
Топлинното съпротивление на цял-ата система може да се разде-
ли на две последователно свързани съставки:
(4.4) Rth j- а — Rth j — Rth с—a,
където/?/Л , e топлинното съпротивление преход корпус (С);
Rth . « — топлинното съпротивление корпус —околна
среда.
Първата съставка зависи от конструкцията на прибора и топло-
отвеждащите свойства на изолационния материал в корпуса (спе-
циален компаунд), а втората съставка се определи от условията
за отвеждане на топлината от корпуса в околната среда. Идеални
условия за топлоотвеждане могат да се създадат, ако диодът се
постави в циркулиращо масло с определена температура (напри
мер 20°С). Тогава се получава /?//, f_u = 0. Друг начин за подобря
ване на топлоотвеждането е увеличаване на охлаждащата повърх-
ност чрез поставяне на охладителни метални пластини или ребра.
Такова охлаждане намира широко приложение при средномощни-
те и мощните полупроводникови диоди и транзистори.
Максималните изправени токове в съвременните токоизправи-
телни диоди имат стойности от 0,1 А до няколко стотици ампери
в зависимост от типа на диода.
3. Максимален пад на напрежението в права посока UFnVdX. Този
параметър се дава от производителите за оценка на загубите в
диода. Определи се или при постоянен ток, или при схема на едно-
8«
иолупериоден изправител. Когато в справочните данни е дадено
< 1 V за IF — 1 А, това означава, че се гарантира за всички
прибори от този тип пад на напрежение в права посока, по-малък
oi 1 V при ток 1 А. Колкото напрежението UFmax е по-малко, толко-
н.। са по-малки загубите в диода и принципно той може да се из-
ползува за по-големи токове, без да се превиши допустимата за-
|убна мощност, респ. температурата на прехода.
•1. Максимално допустимо обратно напрежение URmax. На фиг.
I 16 са показани пробивного напрежение UR{BR^ и максималното
п.шрежение URma>. в обратна посока. Максимално допустимого на-
иргжение се определи от производителите в границите URmax =
(0,6—0,8)t/fi(BR), с което се осигурява известен експлоатационен
|к черв и се увеличава надеждността. Винаги трябва да се спазва
v< ловието
I URmm-
Изправителните диоди се произвеждат в широка гама на обрат-
ите напрежения URmax — от 50 до няколко хиляди волта.
В зависимост от режимите на работа на конкретните токоизпра-
пшелни схеми се избират подходящи диоди, така че да не се пре-
лшнават максимално допустимите стойности на параметрите. Ec-
hi гвено, и прекомерният запас води до оскъпяване и отежняване
и 1 устройствата.
Във формулите за оразмеряване на различните токоизправител-
IIH схеми твърде често се изнолзуват параметрите праг на отпушва-
не на диода Udo и средно диференциално съпротивление (за про-
мснливия ток) Гао- Те са свързани с апроксимираната волт-ампер-
пп характеристика на диода в права
посока, както е показано на фиг. 4.5,
ДСА о
||Дето гао=-—За силициевите
Д/в
и шравителни диоди [/^aOJV и
'/11 = 0,01 — 10 Q, като големите стой-
1141 ги на гао се отнасят за маломощ-
ц||ге диоди.
5 Бързодействие. Бързодействието
11 изправителните диоди се определи
1 параметрите време на включване
и креме на изключване. Същността
и । гези параметри е изяснена в т. 4.4.
I (ыдиционните силициеви изправи-
1СЛНИ диоди по правило работят при
писки честоти. Използуват се най-
пгче в токоизправителните схеми, за-
|ин1вани с мрежово напрежение с честота 50 Hz. При честоти над
I 131/. се увеличават рязко загубите. С повишено бързодействие и
нпмален пад в права посока са силовите диоди на Шотки. Те нами-
|нн широко приложение като изправителни диоди в импулсните
89
безтрансформаторни захранващи схеми, в конто изправеното мре
жово напрежение директно се трансформира във високочестотеп
сигнал (20 kHz — 200 kHz).
Редица фирми произвеждат т. нар. изправителни модули. Тс
представляват няколко диода, евързани по определен начин в и.1
правителна схема и монтирани в един корпус.
4.3. СЕЛЕНОВИ ДИОДИ
Селеновите диоди са плоскостни диоди с поликристална структура
Селеновите изправителни пластини или клетки се изработва!
върху стоманена или алуминиева основа 1 (фиг. 4.6). Върху тази
основа се нанася тънък слой 2 (с дебелина 1—2 р,т) от никел или
бисмут и при повишена температура — около 220°С, върху него с<
създава равномерен слой 3 от аморфен селен с акцепторни примеси
(хлор). Така получената пластина се подлага на термична обра
ботка, при което селенът кристализира и специфичното му съпро
тивление рязко намалява. За да се създаде PN преход (контакт па
селена с полупроводник тип N), на повърхността на селена се на
нася леснотопима сплав на елементите Bi, Cd, Sn. Кадмият реагира
със селена и образува тънък слой кадмиев селенид — 4, който има
електронна проводимост. За подобряване на изправителните свой
ства селеновите пластини се подлагат на електрическо формира
не — прилага им се продължително време постоянно напрежение к
обратна посока.
Селеновата пластина се характеризира със следните параметри
допустима плътност на тока в права посока — около 50
100 mA/cm2; пробивно напрежение UR (ВД)—50 — 80 V, като обии
новено допустимото обратно напрежение се дава 15—20 V, а при
някои клетки 30—35 V; пад на напрежение в права посока
1 —1,5 V; плътност на обратния ток — около 4 mA/cm2.
Р N
°——<
Фиг. 4.6
При последователно свързване на п пластини
общото обратно напрежение нараства п пъти. Но
същия иачин нараства и пропусканият ток при увг
личаване на площта на пластината или при пари
лелно свързване на пластини.
Селеновите токоизправители най-често се ком
плектуват в т. нар. селенови стълбове или в пакетни
токоизправители.
Селеновите стълбове в най простая случай п-
състоят от последователно евързани селенови клс!
ки, с което се увеличава съответен брой пъти макси
мално допустимото обратно напрежение. 3.i
удобство при механичния и електрическия монтаж
често клетките се евързват в схема на двуполуш
риоден токоизправител или токоизправителна мостова схема Грен
При високоволтовия токоизправител на телевизионните прием
90
цини за захранване на електроннолъчеви тръби намират приложе-
ние високоволтовите селенови стълбове. Те представляват после-
ювателно наредени кръгли селенови клетки, обединени в пластма-
<>н стълб с два извода.
1.4. УНИВЕРСАЛИИ И ИМПУЛСНИ ДИОДИ
Разгледаните изправителни диоди имат големи капацитети на пре
ходите и незадоволителни- честотни свойства. Техните приложе
пня са ограничени в честотния обхват до около I kHz, в редки слу-
чаи — до около 20 kHz.
В областта на радиочестотите и в импулсната техника към дио
щте се предявяват специфични изисквания, като например малки
капацитети, малки времена на превключване. За такива приложе-
ния се използуват силициеви диоди, получени на основата на пла-
иарната технология.
Според приложението си те се разделят на универсалии и им-
iti/лсни. Универсалните са с голям обхват на приложение и в широ-
ка честотна облает, а импулените са с подобрени характеристики
па превключване от запушено в отпущено състояние и обратно.
При работа в импулени схеми към диодите се подават импулси
с различна продължителност и честота на повторение. Когато про-
дьлжителността на преходните процеси, конто се развиват в самия
диод, се доближава до продължителността на приложените импул-
гн, получава се изкривяване на сигналите.
На фиг. 4.7а е показана схема, в която към диод D е подаден
импулс на напрежението в права посока. Когато е изпълнено ус-
новието R^>ra (га е диференциалното съпротивление на диода),
i.i получения ток във веригата може да се напише:
R+rd R
Формата на тока е показана на фиг. 4.76. Възможни са два типич-
на случая за формата на напрежението върху диода в права по-
тока UF.
Първият случай е показан на фиг. 4.7в и съответствува на срав-
пнтелно малки токове през PN прехода. Тогава концентрацията
па неосновните токоносители в базата е малка и базовата облает
може да се разглежда като облает с постоянно омично съпротив-
ление гь- Напрежителният пад в нея 1ргь се установява веднага.
Напрежението върху самия PN преход Um се установява след про-
гичане на известен преходен процес, през който неосновните токо-
носители в базата достигат определена неравновесна концентра-
ция. В резултат напрежението между изводите на диода е UF —
1рГЬ-
Вторият случай на преходния процес е показан на фиг. 4.7г. Той
91
се проявява при по-големи стойкости на тока през прехода, когато
се получава т. нар. ефект на модулация на базового съпротивление
или казано накратко модулация на базата.
В първоначалния момент на прилагане на външното напрежение
базата не е наситена с неосновни
токоносители и нейното съпротив-
ление има голяма стойност. Това
определи скок на напрежението,
характеризиращ се с максимална
стойност UFmax. Постепенно в обема
на базата в непосредствена близост
до прехода се инжектират голям
брой неосновни токоносители и ба-
зовото съпротивление намалява. С
това напрежителният пад също
намалява и в установено състояние
падът върху диода е по-малък от
първоначалния.
Времето, за което напрежението
анод—катод на структурата от
нула достигне 0,9 или 1,1 от устано-
вегГата стойност, се нарича време
на включване и се бележи с tp (/вкл).
Преходни процеси се развиват и в случайте на преминаване на
PN прехода от включено към изключено състояние. На фиг. 4.8а е
показана схема, в която към нормално отпущения преход се при-
лага отрицателен запушващ импулс Ur. Въздействието върху волт-
амперната характеристика е показано на фиг. 4.86, а на фиг. 4.8в—
идеализираната времедиаграма на анодния ток. В момент to токът
рязко се измени от положителната стойност IF до отоицателната
стойност IRm. Токът IRm зависи от амплитудата на приложения отри
цателен импулс и съпротивлението на резистора R. Причината за
протичане на голям ток в обратна посока е, че при смяна на поляр
ността на приложеното напрежение неосновните токоносители,
натрупани в базата, сменят посоката на движението си. Започва
процес на разсейване на натрупания електрически заряд в базата
по посока на емитера. Този процес се смята за практически прик-
лючен, когато обратният ток добие стойност 1,1 /fio. Токът lRo е ста
ционарният обратен ток на прехода. Електронно-дупчестият пре
ход възстановява вентилните си свойства в момента /г- Интерва-
лът от време между tn и t? се нарича време на изключване и се беле-
жи с trr. То се раздели на две — време за разсейване на неосновни
те токоносители в базата t и време за спадане на обратная
ток /сп.
Дотук бе разгледан ефектът от преход ните процеси, конто из
кривяват фронтовете на импулсите. Голям интерес представлява
влиянието на същите преходни процеси върху изправителните
92
свойства на диода при високи честоти. За по-голямо удобство в
разсъжденията ще приемем, че напрежението Ur има правоъгълна
форма и се използува известна схема на еднополупериоден изпра-
внтел — фиг. 4.9. Диаграмите са начертани за период на повторе-
ние на входния сигнал, равен на 0,2 ps (честота 5 MHz) и вре
ме за възстановяване на диода /гг = 0,08 ps (80 ns). Средната стой-
пост на напрежението f70, която определи изправителния ефект,
| иропорционална на разликата от площите Si и S>. От съотноше-
инето на лицата на S, и S? на фиг. 4.9 се вижда, че изправителният
ефект сил но намалява, когато периодът на променливото напреже-
ние става съизмерим с времето на възстановяване на диода.
Универсалните и импулсните диоди се произвеждат най-вече от
илиций по планарно-епитаксиалната технология. Приложение на-
мпрат за тези цели и точковите германиеви диоди. Ще разгледаме
никои особености в техните параметри.
Гочкови диоди. Точковите диоди се състоят от волфрамово ост
рис с диаметър 1,54-2 pm (фиг. 4.10а), запоено към германиева
пластина с антимонови примеси (N германиева) или към силицие-
и.। пластина с примеси от бор (Р силициева). PN преходът се съз-
iniia, като през острието се пропуска токов импулс с амплитуда
93
около 250 mA, който загрява областта около острието. Получената
структура се затваря в стъклен или метален корпус (фиг. 4.106).
Характерни особености на точковите диоди са:
1) малки допустими разсеяни мощности — от порядъка на ня
Фиг. 4.9
колко десетки миливатове и сравнително неголеми максимални то
кове — няколко десетки милиампери;
2) типични стойности на допустимите обратим напрежения
няколко десетки волтове, като съшествуват и типове с обратно на
прежение до 100 — 200 V;
3) обратни токове в границите от 1 рА до 10 цА;
4) капацитети на прехода няколко пикофарада; в случайте па
приложение като изправители коефициентът на изправяне на на
прежението (отношението на средната стойност на изправенот
напрежение към амплитудната стойност на променливото) е 80
95% за честоти до 10 MHz и около 60—80% за по-високи честош
94
5) време за възстановяване 100 до 200 ns, но снециално констру
щыпите германиеви диоди със златен връх имат време на възста
ппвяване няколко наносекунди.
Силициеви планарно-епитаксиални диоди. Най-често силицие
Фиг. 4.10
Фиг. 4.11
иге бързодействуващи дцоди се произвеждат по планарно-ени
|«ксиалната технология. Структурата на планарно-епитаксиален
|||<>д е показана на фиг. 4.11.
Върху N+ подложка (знакът + означава, че материалъте наси
|гн с голямо количество примеси и има малко съпротивление — за
i.iKbB материал се казва, че е силно легиран) е получен тънък епи-
ыксиален слой N- (малка концентрация на примесите — голямо
। противление). Именно в този слой чрез локална дифузия на бор
пре 1 маска от силициев двуокис се образуват Р областта и PN пре-
М1,цът. Изводите се правят в една равнина.
Основни предимства на универсалните и импулсните диоди, по
iv'H'hh чрез планарно-епитаксиалната технология, в сравнение с
ннковите диоди са голямата устойчивост срещу замърсяване и
вшяние на околната среда, температурната стабилност и значи
ню по-малкият обратен ток (от порядъка на няколко десетки на-
но.шпери). Те имат допустими обратни напрежения в границите от
0 <о 200 V за различните типове, а максималните им токове са до
Ин) 200 mA.
11ланарно-епитаксиалните диоди имат много добри честотни и
пмпулсни свойства и с успрх се прилагат в изправителни схеми за
и । юти над 100 MHz. Времето им на възстановяване е от няколко
шосекунди до десетки наносекунди, което определи широки въз-
•огкиости за приложение в импулсните схеми.
1 П ОПОРНИ диоди
III. Стабилитрони (ценерови диоди)
1|>ппципът на действие на ценеровите диоди се основава на обра-
iiiMiiH пробив в силициеви .PN преходи. Ето защо те винаги се свър
и в обратна посока. Тъй като пробивното напрежение зависи от
<||ц|>о*1ината на прехода, а тя се определи от специфичното съпро-
95
тивление на полупроводника, съществува възможност за направ.1
на ценерови диоди с различии пробивни напрежения.
Статичната характеристика на ценеровия диод е типична за дио
дитеоттипа стабилизатор на напрежение — фиг. 4.12. Основни па
раметри, свързани с тази характеристика, са:
Напрежение на стабилизации
Uz. Произвеждат се гама от цеш
рови диоди, конто стабилизир;и
напрежения от няколко волта до
няколко стотици волтове.
Температурен коефициент ни
напрежението
MJ,
(4 5)
лТ
Може да има положителни или
отрицателни стойности. Обикно
вено е около ±0,1%/°С. Пром i
веждат се специални диоди с тем
пературна компенсация за пр<
цизни стабилизатори на напрежение. Така например ценеровит
диод КС 191Н има TKUZ = +0,0005%/°C.
Минимален ток на стабилизация /Zmin Определи минималния ток
през диода, при който все още се проявяват стабилизиращите му
свойства. •
Максимален ток на стабилизация /Zmax. Свързан е с максимално
допустимата мощност на разсейване — PZmax = /Zinax . (Jz. Премп
шаването на този ток причинява недопустимо загряване на струк
турата и диодът може да се повреди. Параметрите /Zmax и /Zmin опрг
делят работната облает на волт-амперната характеристика. До
пустимата разсеяна мощност в мощните ценерови диоди достиг.i
50 и повече вата.
Диференциално съпротивление на диода rz. Определи се при и
даден ток в работната облает. Тъй като в тази облает характера
тиката е обикновено права линия, диференциалното съпротивленш
\UZ
може да се определи от отношението rz———, така както г
Mz
показано на фиг. 4.12. Диференциалното съпротивление за различ
ните ценерови диоди има стойности от 5 до 20 Q.
Основното приложение на ценеровите диоди е да стабилизир.н
постоянно напрежение. На фиг. 4.13а е дадена елементарната схе
ма на параметричен стабилизатор на напрежение. За схемата е в.)
лидно следното уравнение на товарната права:
(4.6) Uz=E-fzRu.
96
1.1 m товарна права e начертана с плътна линия в полето на
нпчпата характеристика на ценеровия диод — фиг. 4.136 (Е =
Hi V и /?о = 4ОО Q). Когато се измени захранващото напрежение,
иарпата права се измества успоредно на себе си и пресича ха
Фиг. 4.13
рак геристиката на ценеровия диод в т. А' и А". От илюстрацията се
иокда, че изменението на изходното напрежение е значително по
। 1ко от изменението на входното Ценеровият диод би бил идеи-
и стабилизатор на напрежение, ако има диференциално съпро
пиление rz=0.
От (4.6) за измененията на величините може да се напише
\U,=AE — AIzRu и като се замести \lz — , се получава
О?) AUZ=—
\ + Ra/rz
I 5.2. Стабистора
1|>обивното напрежение в ценеровите диоди достига до няколко
иол га. Често в практиката се налага да се стабилизират по-ниски
и шрежения. За целта се използуват специално конструирани дио-
III, конто работят като стабилизатори в линейния участък на волт-
1мнерната характеристика в права посока. Наричат се стабистора.
При тях се използува силиций с по-голяма концентрация на при
месите, за да се намали съпротивлението на базата, респ. диферен
пылното съпротивление в права посока, т.е. да се получи по
рръмна характеристика. Напрежението на стабилизация е около
11,7 V. Чрез последователно свързване на два и повече диоди се
но 1учават прибори с напрежение на стабилизация до 3.V.
I и-ктронни и полу приводи и киви прибори
97
4.6. ДРУГИ ВИДОВЕ ДИОДИ
Разгледаните дотук полупроводникови диоди ее прилагат масово
в електрониката. Съществува обаче голямо разнообразие от диоди
с по-специфични приложения, конто условно тук са обединени и
отделна трупа.
4.6.1. Диоди на Шотки
Еднопосочната проводимост при диодите на Шотки се основава па
явленията в прехода метал — полупроводник. Предложени са <н
немския учен Шотки още в 1939 г, но теорията и производство™
им се развиват много по-късно.
Преход метал — полупроводник. На фиг. 4.14а са дадени зонни
те диаграми на метал М и полупроводник П с електронна проводи
мост. С U7M и са означени съответно работата на излитане за ме
тала и за полупроводника. Те се отчитат от нивото на Ферми д<>
нулево ниво 1Е = 0, съответствуващо на енергията на освободи!
електрон. При това IVM> Wn. След осъществяване на контакт меж
ду метала и полупроводника електрони от материала с по-малкi
работа на отделяне (в случая полупроводника) преминават в ми
териала с по-голяма работа на отделяне — метала, до изравнява
не на нивата на Ферми в общата структура - фиг. 4.146. Тона
предизвиква изкривяване на зонните диаграми.
В резултат на тези процеси металът се зарежда отрицателио
а полупроводниковият слой в близост до контакта обеднява ил
токоносители и се оказва зареден с положителните заряди на йони
те на донорните примеси. Образуваният спиращ слой е разположси
основно в полупроводника, където неговата широчина е от поря
дъка на микрони, докато в метала е 10-3—10 ' ртп. Височинаы
на потенциалната бариера е <ро = —(1ЕМ — Wn) и е в границик
от 0,1 до 0,5 V.
Когато към прехода се включи постоянно напрежение с поляр
ноет към метала и — към полупроводника, потенциалната ба
риера намалява и през структурата протича ток вследствие на дин
жението на електрони от цолупроводника към метала. При обрж
на на посочената полярност на външното напрежение потенциал
ната бариера се увеличава и протича слаб обратен ток, дължащ о
на наличието на малъкброй неосновни токоносители в полупрово i
ника. Следователно в така описаната структура металът игра/
ролята .на анод, а полупроводникът— ролята на катод.
Устройство и основни параметри на диодите на Шотки. Симпо
личното означение и структурата на диод на Шотки са показана и i
фиг. 4.15а.
Върху силно легирана подложка N+ се нанася тънък считаю и
ален високоомен слой N-. Върху част от повърхността се нанаец
98
н.иьк слой злато, от конто се прави изводът за анода. Когато се
пчцаде положително напрежение, електрическото поле се съсредо-
>’»чива изцяло във високоомния слой Тъй като този слой е много
111П.К, интензитетьт на полето придобива изключително големи
И' О
Фш 4.14
пшности и електроните преминават от полупроводника в метала с
много голяма дрейфова скорост. Тази скорост е съизмерима с то
шпата, поради което тези електрони се наричат «горещи» елек
роли
1'лектроните, нреминали в метала, са основни токоносители.
1 к'дователно при диодите на Шотки липсва ефектът на натруп-
п ше на заряд от неосновни токоносители, а оттам и необходимото
|п ме за неговото разсейване при преминаване в запушено със-
пчпие. Тези качества на прехода на Шотки се изнолзуват за изра
шпнането на изключително бързи маломощни превключващи дио-
||| । време на превключване под 1 ns.
I la фиг. 4.156 са дадени за сравнение две характеристики в пра-
>|ц посока — на диод на Шотки и на PN преход. Малкият пад на
и шрежение е изключително предимство на диодите на Шотки, осо-
н<> за приложения в нисковолтови изправители.
Ььрзодействието и малкият пад на напрежението в мощните
пиши на Шотки разшириха значително честотната облает на сило
и.) преобразувателна техника.
z 7 и Тн7 \
11 У .р • у; О Т & К АТ)
* р, г- 1 geAHlг
4.6.2. PIN диоди
Наименованието на тези диоди произхожда от начина на нодреж
дане на структурата P--I—N — между Р и N областта е разно
ложен собствен полупроводник (1-полупроводник). Чрез та «и
структура се постига малък бариерен капацитет — около 0,1 pF, 1
малко съпротивление в права посока — около 1 — 2Q. PIN диоди
те намират специални приложения в СВЧ техника за превключваш
на мощности
4.6.3. Тунелни диоди
Принципът на действие на тунелните диоди се основава на тунел
ния ефект, който се обяснява от квантовата механика. Тунелния!
ефект представлява преминаване на електрони през потенциали.i
бариера, чиято височина е по-голяма от собствената енергия ил
електроните. Такова преминаване е възможно, когато широчината
на прехода е достатъчно малка — съизмерима с междуатомник
разстояния. Тогава електроните конто се движат по своята орбп
та, може да се окажат на разстояние от атомното ядро, по-голям<>
от широчината на прехода. По такъв начин те преодоляват барш
рата сякаш «през тунел», независимо че енергията им е по-малм
от височината на потенциалната бариера.
Тунелните диоди са плоскостни диоди със силно легирани (<
голяма концентрация на примеси) Р и N области. При тези условия
се създава PN преход с много малка широчина а>=(1 — ^).10-hiii
и голям интензитет на електрическото поле £= 107 — 108 V/m. Теш
особености на прехода създават възможност да се проявява rv
нелният ефект.
На фиг. 4.16а са означени със стрелки съставките на тока от rv
нелния ефект гтун и от дифузията гдиф, а на фиг. 4,166 — зависимое
тите на тези съставки от приложеното напрежение UF Резулт;н
ният ток определи волт-амперната характеристика на тунелния
ДИОД.
Токът от тунелния ефект се дължи на сложна размяна на елей
трони между Р и N областта. Тези два тока при външно напрежс
ние нула взаимно се неутрализират и волт-амперната характера
тика започва от началото на координатната система. С постелен
ното увеличаване на напрежението в права посока потокът от елек
трони от зоната на проводимостта на N полупроводника във и i
лентната зона на Р полупроводника нараства и определи общ<>|<>
увеличаване на тунелния ток 4ун (техническата посока на тока е о<>
ратна на посоката на движение на електроните). Това продължап.1
до напрежение Up. По-нататък поради достатъчното намаляв.пи
на интензитета на полето в резултат на приложеното външно ил
прежение тунелният ефект, респ. тунелният ток намаляват. За пл
прежения, по-големи от Uv, потенциалната бариера е достатъчпч
100
и (малена и токът се определи от инжекцията на неосновни токоно
hi ели в базата. В този участък структурата работа като обикно
и* и диод и зависимостта на тока от напрежението е близка до екс
шин нциалната.
I унелните диоди се изработват от Ge и GaAs, но германиевите
Фи>. 4 16
iviu-jiHii диоди напоследък се изместват от по-перспективните
|||<|ди от GaAs.
Напрежението Up за различните тунелни диоди варира в грани
nine 70—330 mV, a Uv е 150—500 mV. Токът 1Р е от порядъка на
шлиампери, а за никои образци до ампери. Характерен параметър
отношението Ip/Iv. То е в границите от 5 до 10.
Тунелните диоди се отнасят към специалните полупроводникови
рнбори с участък на отрицателно диференциално съпротивление
iii.ii волт-амперната си характеристика. И наистина за всяка точка
<и карактеристиката на фиг. 4.166 в участъка между Р и Q на поло-
hiiгелен нарастък на напрежението съответствува отрицателен
плрастьк на тока (/?,= “у4-) '
I la фиг. 4.17а е дадена схемата на свързване на тунелния диод в
пшамичен режим, а на фиг. 4.176 е прекарана товарната права за
/'.I 60Й. Ако съпротивлението на резистора Ru е по-голямо от от-
рнцателното диференциално съпротивление, не може да се получи
рабогна точка в участъка PQ. Ето защо задължително е волт-ам-
10 рпата характеристика да се снема с токоизточници с малко вът-
Р< ।uno съпротивление.
< )грицателното диференциално съпротивление на тунелните ди
и in дава възможност те да се използуват като генератори и усил-
ил тли.
Нпради сьщността на тунелния ефект и вълновите свойства на
101
електроните с тунелни диоди може да се реализират генератори и
усилватели на свръхвисоки честоти (от порядъка на 100 000 MHz)
Тунелните диоди, използувани в импулсните схеми, се отличават i
голямо бързодействие. С тях може да се получат времена на пре
включване от порядъка на няколко наносекунди.
4.6.4. Обърнати диоди
Обърнат се нарича диод, получен на основата на полупроводник с
критична концентрация на примесите, при който проводимостта в
обратна посока поради тунелния ефект е значително по-голяма, от
колкото в права посока.
Подобно на тунелните диоди обърнатите диоди са с голяма кон
центрация на примесите. В резултат на това пробивното им на
прежение в обратна посока има по-малки стойности от пада на
напрежението в права посока. Обърнатите диоди се използуват за
изправяне на слаби сигнали.
4.6.5. Диоди на Гън
Години наред електронните лампи отстояваха нозициите си спрями
полупроводниковите прибори в областта на свръхвисоките честоти.
В последните години обаче намериха широко приложение т.нар.
диоди на Гън.
102
Действието на този тип диоди се основава на ефекта на Гън. Той
> <• състои в генериране на свръхвисокочестотни трептения в моно-
> ристал от галиев арсенид (тук няма PN преход) под действието
и.। постоянно електрнческо поле с достатъчно голям интензитет —
повече от 105 V/m. Честотата на генерираните трептения е свър-
i.iiia с разстояиието I между контактите, на конто е приложено
постоянного напрежение, със следната зависимост:
. _1К_
' I
При достатъчно малки размери на монокристала тази честота мо-
кс Да достигне до IO10 Hz. Генерират се островърхи токови импул-
и При специален режим с включен резонатор (трептяща система)
। <| създадени генератори с диоди на Гън, конто работят на честоти
к> 1000 GHz, отдавайки мощност на импулса от порядъка на стоти-
ип киловати. Диодите на Гън се използуват в радиолокационни
1анции, навигационни устройства и др.
1.6.6. Диоди с лавинно прелитане на токоносителите
(подите с лавинно прелитане на токоносителите (лавинно-дрей-
<|>ови диоди) са с Р,\ приход. Когато към прехода се приложи висо-
111 обратно напрежение, поради големия интензитет на електри
ircKOTO поле се получава лавинно умножение на токоносителите.
I ова определи участък от волт-амперната характеристика с отри-
пагелно диференциално съпротивление, което е необходимо ус-
ните за генериране на свръхвисокочестотни трептения. Получени
• а импулени мощности от порядъка на 600 W. Използуват се в те-
нметрията, радиолокацията, радионавигацията и др.
1.6.7. Варикапи
Варикапите представляват диоди, чийто бариерен капацитет се
\правдива с обратно приложено напрежение на PN прехода. Като
варикапи могат да се използуват по принцип всички маломощни
шоди. На практика обаче се употребяват ценеровите диоди и спе-
ппално конструираните за тази цел варикапи. На фиг. 4.18а е пока-
I.IHO означението на варикап, а на фиг. 4.186 е дадено относител-
пого изменение на капацитета от приложеното обратно напреже-
iiiic за съветските варикапи Д901 А -Д901 Е.
Основни параметри на варикапите са номиналният капацитет и
кчефициентът на покритие. Номиналният капацитет Снон се Опре-
н’ля при една фиксирана стойност на напрежението, например 4
или 6 V. В най-често срещаните варикапи и ценерови шоди този
капацитет е от 20 до 40 pF. Коефициентът на покритие изразява
«ипошението на максималния към минималния капацитет при пъ-
н н размах на изменение на подаденото напрежение.
103
Освен това трябва да се знаят макси,малното напрежение (обив
новено в границите от 20 до 100 V) и обратният ток, определяй, на
товарването на веригата, в която е включен варикапът.
Вариканите иамират приложение за електронна настройка на
трептящите кръгове в приемно-предавателната техника, за пара
метрични усилватели и др.
изводи
I lo.iv цр< воз >ш киви 11 диоди, ера в пени ' елек i рои нова к , \ >
ните тиоди. пропускал значителни токове при извьнредн>>
:палък пад на напрежението в права посока Това опре
1с.тя не шачителни загуби и оттам вт> пюжпоети за иолхча
ване на малки PN структура и прибори, коею < и- особет
важно значение при конструпране на вторичнн изгочнини
на захранване. каквитоса всички токонзправнгели на мрг
жово напрежение с индустриалиа честота
Съвременните конструкции и технологии даиат вымол
ноет полукриводниковите дно ш да навлязат и в техншл,
на СВЧ, к вдето се изнолзуват като тетекгори, превключва
гели, усилватели и генерагори иа е.текгриче'.'Ю! колена и и
Вы। роси и задачи
I. Какви видове диоди познавате?
104
' Кои са основните параметри на изправителните диоди?
I Начертайте еднополупериодна токоизправителна схема и апроксимирана ха
рактернстика на диод с параметри 1/ао=0,6 V и rd0= I Q (фиг. 4.5) до стойност
на тока IF=l А. Илюстрирайте работата на изправителя в съответствие с фиг.
4.4 за U2m— 10 V.
I Неверов диод има параметри: 1/г=6 V при /г = 10 mA; /zmin —' mA;
/zmax=20 mA; гй=20 Q.
а) Оразмерете схема на параметричен стабилизатор при захранващо напреже
ние £= 12 V.
б) Начертайте волт-амперната характеристика иа ценеровия диод в линейно-от-
сечкова апроксимация и прекарайте товарната права. Намерете по графо-ана-
литичен начни абсолютного и относителното изменение на изходното напре
жение при изменение на захранващото напрежение Е с ±20%.
в) Решете задачата от т. б аналитично.
За схемата, дадена на фиг. 4.17а, и от волт-амперната характеристика на ту
нелния диод на фиг. 4.176 намерете стойността на захранващото напрежение
Е , при която за /?о = 120 Q товарната права ще пресече т. А. Прекарайте
тази товарна права в координатната система UF , IF.
I ЛАВА ПЕТА
1.ИПОЛЯРНИ 1РАНЗИСТОРИ
Ьиполярните транзистори са най-широко разпространените диск
ретни електронни елементи. Те се изнолзуват за усилване, за генери-
ране и за преобразуване на електрическите сигнали в широка чес-
готна облает и голяма гама от електричееки мощности.
Принципът на действие на транзисторите, физичните процеси
и произлизащите от тях характеристики, параметри и приложения
са тясно евързани с изучените свойства на полупроводниковите
материали и на PN прехода.
B.I. ОБЩА КЛАССИФИКАЦИЯ НА ТРАНЗИСТОРИТЕ
Транзисторите са полупроводников!! прибори с един или няколко
PN прехода и с три или повече изводи. Според принципа на дейст-
вие транзисторите се делят на две големи групи: транзистори с
инжекция и транзистори без инжекция. При първите управление™
на изходния сигнал става чрез инжекция на неосновни токоносите-
ли през PN преход, а при вторите — с помощта на електрическо
ноле. Транзисторите от първата трупа се наричат биполярни, защо-
го тяхната проводимост се обуславя от два вида токоносители —
чупки и електрони, а транзисторите от втората трупа — униполяр-
105
ни, защото проводимостта им се дължи само на един вид токоно-
сители — или дупки, или електрони.
Според вида на изходния материал, от който са произведени,
транзисторите са германиеви или силициеви. В първоначалния ста-
дий на развитие на полупроводниковата техника намериха прило-
жение германиевите транзистори. В настоящим момент се произ
веждат силициеви транзистори и усилията са насочени към изпол
зуване на полупроводникови материали с още по-голяма широчина
на забранената зона (галиев арсенид и др.).
Според честотните си свойства транзисторите се «разделят на
нискочестотни (с гранична честота до около 3 MHz), средночес-
тотни (от 3 до 30 MHz), високочестотни (от 30 до 1000 MHz) и
свръхвисокочестотни (с гранична честота, по-висока от 1000 MHz).
В зависимост от максимално допустимата разсейвана мощност
транзисторите биват: маломощна (до 0,3 W), средномощни (от 0,3
до 3 W) и мощна (> 3 W).
5.2. УСТРОЙСТВО И МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ
НА БИПОЛЯРНИТЕ ТРАНЗИСТОРИ
Биполярният транзистор представлява монокристална структура
с три редуващи се области Р, N и Р (или N, Р и N), разграничени
с два PN прехода. За изолиране от влага, от прах и от други замър
сявания структурата се херметизира в подходящ корпус.
Схематично структурата на транзистора е показана на фиг. 5.1а.
В случая лявата облает е наречена емитерна (или само емитер),
а другата — колекторна (или колектор). В средата е разположена
базовата облает (или базата), която е отделена от първите две
съответно чрез емитерния и колекторния PN преход. От трите об-
ласти са изведени омични изводи, наречени съответно емитерен,
колекторен и базов извод. В зависимост от типа на проводимостта
на трите области транзисторите биват PNP или NPN. Условните
графични означения на PNP и NPN транзистори са показани на
фиг. 5.16.
Методите за получаване на монокристалната структура на тран-
зисторите непрекъснато се усъвършенствуваха, докато се стигне
до съвременната планарно-епитаксиална технология.
През 1948 г. бяха създадени точковите германиеви транзистори.
Твърде скоро обаче те бяха заменени с плоскостните германиеви
транзистори. При тях PN преходите се осъществяват в определена
плоскост чрез сплавна технология За целта върху изходна гер-
маниева пластина, примерно от N тип, се сплавяват две сфери от
полупроводник Р тип — фиг. 5.2. Създадената структура, както е
показано, е несиметрична. Колекторният преход е с по-голяма
площ и обхваща емитерния. Това се прави с цел да се получи по-
голямо усилване.
Усъвършенствуването на технологиите за получаване на чист
106
। плиции и появ.ата на планарната и планарно-епитаксиалната тех-
нология позволила замяната на германия със силиций, характе-
рпзиращ се с по-голяма широчина на забранената зона, а оттам
i но-слаба зависимост на параметрите от температурата и по-на-
К'ждна работа.
Планарните транзистори се получават чрез последователни ди-
фузии с различии примеси, като след всяка дифузия се създава
ппцитен окисен слой.
Последователността на етапите за получаване на планарните
|ранзистори може да се види от фиг. 5.3. Върху изходна пластина
(в случая от N тип) е нанесен изолационен окисен слой от SiO^ с
к'белина около 1 цт (фиг. 5.3а). Чрез фотолитография се разяжда
икисният слой и се отваря първият прозорец с достъп до N слоя
(фиг. 5.36). Извършва се дифузия с дифузант от III валентност
(бор) и се създава първият PN преход. Върху създадения Р слой
се нанася ново окисно покритие (фиг. 5.Зе). На фиг. 5.3г и 5.3d са
показани резултатите от следвашите процеси на разяждане на
окиса, извършване на дифузия за създаване на слой и повторна
пнцита чрез окисляване. На фиг. 5.Зе и 5.3ж са показани етапите
11 разяждане на окисния слой, за да се получи достъп съответно до
>.1зовата и до емитерната облает и нанасяне на металните слоеве
i.i извеждане на контактите.
На фиг. 5.4а е показана структурата на транзистора със съот-
иетните изводи от колектора, базата и емитера. Тъй като транзис-
юрът е даден във вертикален разрез по отношение на изходната
пластина, изобразените геометрични форми на различните слоеве
। е наричат вертикална геометрия на транзистора.
На фиг. 5.46 е показана т.нар. хоризонтално геометрия на тран-
107
зистора, която представлява картината за повърхността, на кояго
излизат и трите слоя.
Очевидно хоризонталната геометрия за различните дълбочинп
на пластината ще бъде различна. Тя определи и конфигурациям
на различните фотомаски, с конто се разграничават отдел ните one
рации за създаване на слоевете.
Фш . 5.4
Онисаният транзистор е изцяло дифузен. Съвременните мал<>
мощни транзистори в преобладав а щото си мнозинство са планар
но-епитаксиални.
На фиг. 5.5 е показана реална структура на съвременен маломо
щен планарно-епитаксиален транзистор. Върху силно легиран।
(с голямо количество примеси) силициева подложка е разполо
жен сравнително високоомен епитаксиален Р слой с дебелина приб
лизително 10 цт. Базовата и емитерната облает са с дебелин.1
1 —3 цт. От вертикалната геометрия се вижда също така, че колеи
торният преход обгръща емитерния през базовата облает. Всич
ки тези геометрични параметри заедно с електрофизичните, как
вито са специфичного съпротивление, времето на живот на п<
основни токоносители, дифузната дължина и други, играят опрг
деляща роля за електрическите параметри на транзистора.
Структурите на транзисторите се монтират в специални корнусн
По този начин се намалява влиянието на атмосферни и механпч
ни въздействия върху нормалната им работа. При първонача i
108
тио производство се използуваха стъклени корпуси, а сега ме-
1.1ЛНИ и пластмасови. Корпусът трябва да осигури ефективно раз-
генване на отделящата се от структурата топлина в околното про-
гранство. Разработена е унифицирана серия от метални корпуси
0,5 тт
Юдит
Емитер
Дифузия бор
База
Дифузия фосфор
Колрктор
Епитаксия бор
j)=3sicm
Подсоска
Дифузия фосфор
j>=0.05stcm
Фиг. 5.5
Емитер
2,5дит
Р "
“'1,2am
0,13 тт
ГЛонтажна
платка
метална
подложка
на колектора
Базоба
облает
Колектор
Емитер
7, Колектор
С BE
корпус
Базоб
електрод
а)
Фиг. 5.6
Е ВС
б)
и гависимост от мощността. Термичното съпротивление на тран-
iiit горите се разглежда по аналогичен начин както при диодите.
< пиарянето на транзисторите в пластмасови корпуси се извършва
109
иа автоматизирани поточни линии, коего рязко снижава себестой
ността на производство™ и цената.
На фиг. 5.6а е дадена конструкция на транзистор, в която ох
лаждането се извършва чрез електрода на колектора. Колекторът с
галванично свързан със самия метален корпус. Такъв тип конст
рукции се прилагат за средномощни и особено за мощни транзис
тори, при конто се налага разсейване на голямо количество топли
на. Плоскостта на корпуса може да се монтира непосредствено
върху'охлаждаща метална плоча или радиатор, с което рязко се
увеличава допустимата загубив мощност в транзистора.
На фиг. 5.66 е показана конструкция, в която охлаждането ста
ва чрез базовия електрод. Използува се при маломощни транзис
тори.
5.3. ТРАНЗИСТОРЪТ КАТО ЧЕТИРИПОЛЮСНИК
Общи сведения за четириполюсниците. Общата теория на чегири
полюсниците играе важна роля за изучаване на свойствата на
транзисторите и за анализ на транзисторните схеми. Както трап
зисторът, така и всяка схема могат да се представят във вид на чс
тириполюсник (черна кутия), характеризиращ се с две входни иди.
изходни клеми — фиг. 5.7. Свойствата на четириполюсника с»
изразяват чрез описание на функционалните връзки между вход
ните величини U\, /, и изходните величини U?„ I?..
За четириполюсниците са валидни следните основни правили
и постановки.
1. Приемат се условно за положителни напреженията и токоветс.
чиито посоки съвпадат с означените на фиг. 5.7. Ако действителио
протичащият ток или напрежението се различават но посока <н
тях, смятат се за отрицателни.
2. Когато между електрическите величини Uh, U-2, Асъществу
ват линейни зависимости, то четириполюсникът е линеен. В про
тивен случай се говори за нелинейни четириполюсници.
Фиг. 5.7
4. Динамичен режим на
3. Статичен режим на четири
ролюсника е режимът, при кой
то входната и изходната вериги
се намират в едно от двете със
тояния — режим на късо съедп
нение или режим на празен ход
(отворена верига). Параметра
те, определени за това състоя
ние на четириполюсника, се на
ричат статични.
четириполюсника е режимът, при кои
го в изходната и входната му верига са включени съпротивления
Параметрите, свьрзани с това състояние на четириполюсника, с<
наричат динамични.
110
Особености на транзистора като четириполюсник. Транзисторът,
рлзглеждан като четириполюсник, се отличава със следните ос-
повни черти и особености.
1. Транзисторът е прибор с три извода. Следователно когато се
иредстави като четириполюсник, винаги един от изводите се оказ-
н<| общ за входната и изходната верига.
2. В зависимост от това, кой от изводите на транзистора е общ
ia входната и изходната верига, се различават три основни схеми
па евързване:
— схема обща база (ОБ);
I — схема общ емитер (ОЕ);
— схема общ колектор (ОК).
Трите схеми на евързване на транзистора, представен като чети-
рпполюсник, са показани на фиг. 5.8.
3. Транзисторът по своята същност представлява нелинеен че-
(приполюсник. Основна причина за това е нелинейната зависимост
между тока и напрежението на отпушения PN преход.
4. Връзките между токовете и напреженията на входа и на изхо-
щ на транзистора се дават със семейства статични характеристи-
ки. Тези характеристики имат нелинеен характер. Най-широко се
и шолзуват статичните характеристики при евързване на тран-
шетора в схема ОЕ.
PNP
Обща
база
Общ
•матер
NPP
Общ
лектор
Фиг. 5.8
(вмв*И0Т8К*)||1
\ ;..<и •
5. Обикновено транзисторите работят при права поляризация
на емитерния преход и обратна поляризация на колекторния пре
ход. Тогава се получава желаният усилвателен ефект. Такава по
ляризация на PN преходите определи действителните посоки на
токовете и напреженията. Когато тези посоки са противоположни
на приетите за положителни посоки в четириполюсника, съответ-
ните величини се отчитат с отрицателен знак. Следователно зна-
чите на входните и изходните величини зависят както от схемата
на свързване, така и от типа на транзистора — дали е PNP или
NPN. На фиг. 5.8 в черната кутия на четириполюсника са показа-
ни PNP и NPN транзистори за трите схеми на свързване и са оз
начени действителните посоки на токовете и напреженията.
6. При достатъчно малки изменения на токовете и напреженията
около избрана точка или за малки по амплитуда променливи сиг
нали транзисторът се разглежда като линеен четириполюсник.
Със зависимостите между токовете и напреженията при малки
сигнали са евързани т.нар. диференциални или малосигнални па
раметри на транзистора.
5.4. СХЕМА ОБЩА БАЗА. ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ,
СТАТИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСИЛВАТЕЛНИ СВОЙСТВА
5.4.1. Принцип на действие
Принципы на действие на биполярния транзистор се основава
на изменение на съпротивлението на обратно поляризиран PN пре
ход за сметка на инжекция на свободни токоносители. Оттук про
изхожда и наименованието му (от англ, transistor-transfer resis
tor — преобразуване на съпротивление).
Схемата на свързване на транзистора при ОБ е показана на
фиг. 5.9. Избран е NPN транзистор. Разсъжденията и изводите са
аналогични и за PNP транзистор.
Към емитерния преход, който е евързан във входната верига, е
подадено напрежение в права посока. В резултат се получава еми
терен ток, чиято зависимост от приложеното напрежение се описва
с известния експуненциален израз за волт-амперната характерис
тика на PN преход.
Емитерният ток се дължи на инжекция на електрони от емитер
ната N облает в базовата Р облает. Инжектираните електрони
създават повишена концентрация на неосновни токоносители и
областта от базата близо до емитерния преход и те се придвижва!
дифузно през базата към колекторния преход. Електрическото по
ле на обратно поляризирания колекторен преход им дейетвува ус
коряващо и електроните преминават в колекторната облает. Поташ
начин се получава колекторният ток, чиято техническа посока г
обратна на посоката на движението на електроните.
112
Част от дифузно движещите се електрони (незначителна, поради
мнлката дебелина на базата) рекомбинират с основните токоно-
< и гели в базата — дупките, и това определи протичането на малък
пазов ток. От това опростено описание на пронесите в транзистора
Фиг 59
i гава ясно, че емитерният ток се разнределя между колектора и ба-
<ата и ако с а означим каква част от него определи колекторния
|ок, могат да се напишат следните зависимости:
Токовете 4, /( и /й, описани с горните уравнения, са управляема
величини. Емитерният ток се управлява непосредствено от напре-
жението емитер - база, а колекторният и базовият ток се опреде-
лят от емитерният ток.
Коефициентът а е основен параметър за биполярните транзисто-
рн и се нарича интегрален коефициент на предаване на тока от еми-
н-ра до колектора. Има стойности от 0,9 до 0,999, като малките
коефициенти са характерна за мощните транзистори. Освен загу-
< Рлектронни и полупроводникови прибори
113
бите, предизвикани от рекомбинаиионните процеси в базата, върху
намаляването на коефициента а влияе и обратната инжекция от
базата в емитера. Тази инжекция увеличава емитерния и базовия
ток, без да дава отражение върху колекторния ток. Влиянието на
този фактор върху а се намалява до минимум, като базата се прави
значително по-висикоомна от емитера (по-малка концентрация на
примесите).
При описанието на процесите в транзистора бе пренебрегнат
обратният ток на колекторния преход. Както е известно от изуча-
ването на PN прехода, този ток при силициевите транзистори е
много малък и не зависи от приложено™ напрежение. т. е. той е
неуправляема величина. На практика обратният колекторен ток
влияе, когато транзисторът работи при ниски нива на инжекция
в режим на малък колекторен ток (микрорежим).
Обратният колекторен ток 1СВ0, както се вижда от фиг. 5.9, се
сумира с колекторния и се изважда от базовия ток. Тогава изрази-
те (5.2) се видоизменят, както следва:
(5.3а) Ic = а1Е ~Т 1СВ0;
(5.36) /в=(1 — а)/£ —4во-
5.4.2. Статични характеристики при схема ОБ
Връзките между токовете и напреженията при схема ОБ се опреде-
лят от четири вида статични характеристики.
4 =J(JJeb\jcb =const — входни характеристики;
4=f(^ce)/£=const —изходни характеристики;
4 =Я4)и св = const — характеристики на право предаване
по ток;
UBE —K^ce)ie= const — характеристики на обратно предаване
по напрежение.
На практика се използуват първите три семейства характеристи-
ки. Те са показани на фиг. 5.10.
Входни характеристики. Входната характеристика на транзисто-
ра при схема на свързване ОБ и постоянно напрежение колектор —
база представлява по сыцество известната волт-амперна характе-
ристика на PN преход, включен в права посока. Отклонения от за-
кона за характеристиката на диода се получават от допълнител-
ното влияние на колекторното напрежение.
Това влияние е показано на фиг. 5.10. С увеличаване на обрат-
но поляризиращото напрежение на колекторния преход входните
характеристики се изместват. Това се обяснява с проявата на ефек-
та на Ерли: с увеличаване на UCB се разширява колектроният пре-
1 14
<i/i и базата се стеснява. В резултат се увеличава изменението в
онцентрацията на неосновните токоносители в базовата облает
<ч емитера до колектора (градиента на концентрацията), което е
пьрзано с увеличаване на емитерния ток при неизменно напреже
пне UEB. Необходимо е да се отбележи, че при UCB> 1 —2 V влия
«пето на ефекта на Ерли върху изместването на характеристиките
< но-малко.
Входната характеристика е нелинейна и се дава с израза
(>4) 1Е = /И)(е чт —1).
От (5.4) може да се определи диференциалната стръмност на
входната характеристика
(5.5) 5е=-^-=-^-
Д4/£в <р7.
Практически се използува рецинрочната стойност на стръмност-
и, а именно re— J—, което представлява диференциалното съп
ротивление на емитерния преход. Като се има предвид, че при стай-
111 температура =0,026 V, за се получава
0>.6)
0,026 V
115
В израза не е взето предвид омичното съпротивление на базовата
облает. Ето защо в реалните случаи се получават по-големи стоп
ности за ге\
0,026 4- 0,035
(5.7) rt.=-----------
'г.
Изразът (5.7) показва, че диференциалното еьпротивление на
емитерния преход е обратнопропорционално на постоянния еми
терен ток.
Формулата е валидна предимыо- за маломощни транзистори и
за стойност на емитерния ток до около 10 mA. При по-големи токо
ве в емитерното напрежение започва да преобладава съставката.
обусловена от съпротивлението на базовата облает, която е линей
на функция на тока. Диференциалното съпротивление може да се
намери по графо-аналитичен път чрез построяване на характера
стичен триъгълник в дадена точка от входната характеристика.
Характеристики на право предаване по ток lc =f(IE)UcB =const
На фиг. 5.10 е дадена само една характеристика, тъй като колек
торното напрежение влияе сравнително слабо и характеристиките
са разположени близо една до друга. При емитерен ток нула през
колектора протича токът /св0. С увеличаване на емитерния ток ко
лекторният ток нараства почти линейно. Това е логично, тъй като
съгласно принципа на действие на транзистора инжектираните и
базата неосновни токоносители преминават през нея и влизат и
колектора. Колкото по голям е емитерният ток, толкова ио-голямо
е количеството на инжектираните токоносители, а оттам и колек
торният ток. За по-големи токове концентрацията на неосновни
токоносители в базата нараства много и рекомбинационните про
цеси се увеличават. Загубите в базата определят по-слабо увели
чаване на колекторния ток и линейността на характеристиката
се нарушава.
Тясно евързан с характеристиката на право предаване по ток е
коефициентът на предаване по ток от емитера до колектора —а.
Нелинейността на характеристиките налага този коефициент да се
оценява по два начина: като интегрална и като диференциална
стойност. Интегралният коефициент на предаване по ток се опре
деля с отношението
(5.8а) >сА-1сво '
където 1Сд и 1Ед са стойностите на токовете за избраната рабогна
точка — примерно т. А от фиг. 5.10. Формула (5.8а) се получава
от (5.3а).
Диференциалният коефициент на предаване пи ток е отношение
го на малки изменения на изходния и на входния ток около избрана
работна точка:
(5.86) сс=^-
l\Ie
I 16
la стойността на тока, до конто характеристиката /с=/(4) има
шт още линеен характер, а и а са с една и съща големина, тъй като •'
нжът /св0 по правило има изключително малки стойности.
Изходни характеристики /с =f(t7te)/£_consj. Съгласно (5.3а) об
шиит ток през колектора е 1С = а1Е 4-/сво, т- е колекторният ток не
1.ШИСИ от колекторното напрежение. При това положение семейст-
шно изходни (колекторни) характеристики ще представляват пра-
|||| линии, успоредни на оста £7св, дадени с прекъсвана линия на
фш. 5.10.
Дори и при £7св=0 колекторният ток е равен на а1Е, тъй като
инжектираните в базата неосновни токоносители от емитера ди
фузно достигат до колекторния преход. Тук собственото електри-
ческо поле на прехода ги пренася в колектора и от това се определи
> ьответният колекторен ток. Намаляването на колектрония ток за-
ночва едва при UCB <0, т. е. когато се смени полярността на външ-
ното напрежение, така че колекторният преход се поляризира в
права посока. Тогава насрещно инжектрираните от колектора в
6 1шта електрони компенсират електроните, дошли от емитера. При
нределена стойност на право поляризиращото напрежение ко
к'кторният ток смени посоката си. Тук вече колекторнинт преход
работи аналогично на емитернин. Този режим на работа се нарича
режим на насищане.
Реал ните колекторни характеристики се различават от идеални-
IV с малкин наклон, който сключват с абсцисната ос. Това се дължи
пи ефекта на стесниване на базата. С увеличаване на обратно по
шризиращото напрежение на колекторнии преход неговата облает
и' разширива, съответно широчината на базата Wb се намалива.
1ака неосновните токоносители достигат до колекторнии преход
no-бързо и с по-малки рекомбинационни загуби.
С изходните характеристики е евързано диференциалното съпро-
щвление на колекторния преход
(1.9) 1
-const
Поради слабото влииние на колекторното напрежение върху ко-
к'кторнии ток гс има много големи стойности — десетки и стотици
мегаомове. Като се вземе предвид влиянието на UCB, за колектор-
i’hih ток може да се напише:
(5.10) 1с = а1Е+-^+1СВ0.
Гс
5.4.3. Динамичен режим при схема ОБ.
1ранзисторът като усилвател
когато в изхода на транзистора се включи товарен резистор Rc, той
1>.|боти в динамичен режим и може да усилва електричееки сигна-
117
ли. Свойствата на транзистора като усилвателен прибор са разглг
дани с помощта на фиг. 5.11 в следната последователност:
1. Напрежението на източника Ее определи работна точка 1
върху входната характеристика и постоянен емитерен ток
4 = 1 гпА.
Фиг. 5.11
1 18
2. За тази работна точка може да се намери диференциалното
ьпротивление на емитерния преход
5 1П
Приемаме re=25Q.
3. Около работната точка напрежението се колебае с максимал-
па амплитуда /\UEB =Eim= 10 mV, където E,m е амплитудата на
< инусоидния входен сигнал, подлежат на усилване.
4. Това създава амплитудно изменение на емитерния ток
(5.12) 10 |0_:=о,4 mA.
Г е 25
5. Понеже на практика а> 0,96, приемаме а = а=1, при което
1Е — 1Е и А/^ ’ А/£.
6. Тогава амплитудного изменение на колекторното напрежение
при Rc — 5 kQ е
(5.13) Д(7СВ=А/С . /?с=0,4.10“3.5.103 = 2 V.
7. Коефициентът на усилване по напрежение е
(5-14) ^об=4^=-^==-§^-=200-
8. Коефициентът на усилване по ток е А,«а«1.
9. Входного съпротивление на схемата се определи от входного
напрежение (в случая UEB) и входния ток (/,):
(5.15) /?вхб = —^-=ге=25П.
д/£
10. Входната мощност за полезния синусоидален сигнал е
Рвх=4-£|т • А4=21°~6 w-
11. Изходната мощност за усиления полезен сигнал е
Рюх=±-иСт Icm= «AlО’3 W.
12. Коефициентът на усилването по мощност в такъв случаи се
получава
Кр=Р^=/<^ . К, = 200.1 =200.
^RX
119
13. Консумираната мощност от източника (EC = 5V) е
РЕс = Ес 1Сд =5.0,4.10 3= 2.10-3 W.
14. Тогава може да се определи коефициентът на полезно дейст
вие на изходната верига:
)1=£т_ .Ю0=20%.
р£с
На фиг. 5.116 е дадена реална входна характеристика на тран
зистор 2 Т 3841 и са показани електрическите величини за данните,
използвани в горния пример. Графо-аналитично се намира ге=
= 25 9.
Дадените формула за изчисление са приблизителни, но често
задоволяват нуждите на елементарната практика. По-точно се
пресмятат динамичните параметри на транзистора при разглежда
него му като линеен четириполюсник. Този подход е изложен в
т. 6.5.
В обобщение може да се каже следното:
Транзисторът аналогично на триодната лампа усилва електри
чески сигнали. Но в триодната лампа липсва входен ток — решет-
ката е отрицателна и отблъсква електроните във вакуума. Ето за-
що триодът е прибор, който се управлява от напрежение. Разгле-
даният биполярен транзистор има малко входно съпротивление и
във входната му верига протича ток, който определи пропорциона-
лен изходен ток. Биполярният транзистор е прибор, който се уп-
равлява от ток.
Получаването на по-голяма мощност на полезния сигнал в из-
ходната верига се обяснява по следния начин:
1. Във входната верига се консумира постояннотокова енергия,
която понижава потенциалната бариера на емитерния преход и
позволява модулация на емитерния ток в такт с полезния сигнал.
2. В колекторния преход се отдава постояннотокова електрическа
мощност 1Сд UCB, която способствува за движение на токоносители-
те в колекторната верига. По такъв начин постояннотоковата
енергия на захранващия източник се преобразува в променливото-
кова енергия на полезния сигнал.
От разгледания пример (фиг. 5.11) се вижда, че транзисторът
е нелинеен елемент. В случая във входната верига не е включен
резистор, поради което източникът е\ е генератор на напрежение.
Поради нелинейната връзка между входния ток и входного напре-
жение за сигнали, по-големи от няколко миливолта, входният ток
се изкривява по форма спрямо напрежението. В това лесно можем
да се убедим, ако в полето на входната характеристика от
фиг. 5.116 проектираме променливото напрежение върху самата
характеристика, а не върху тангентата. Известно е, че връзката
между входния и изходния ток е почти линейна, а изходното напре-
жение повтаря формата на изходния ток. Ясно е, че при входни сиг-
120
и.i.ill. по големи or няколко мнливолга, гранзпсюры изкривява
in хвата форма.
В заключение за транзистора като усилвател, свързан в схема
। >Б, е характерно следното:
I. Емитерният преход е управляващ и винаги е поляризиран в
права посока. Малки изменения на входното напрежение предиз-
инкват сравнително големи изменения на входния (емитерния)
|<>к. Тъй като отношението на изменението на входното напреже-
iiiie към съответното изменение на входния ток определи входното
кпротивление /?вх, следва, че за тази схема на свързване транзис-
юрът има малко входно съпротивление.
2. Измененията на изходния (колекторния) ток са почти равни
па измененията на входния (емитерния) ток.
3. Колекторният преход е поляризиран в обратна посока. Изме-
нение™ на неговото напрежение влияе незначително на колектор-
кпя ток. Това създава възможност във веригата му да се включи
кшарен резистор със сравнително голямо съпротивление и оттам
ни се получат големи изменения на напрежението. На това се дъл-
*ки усилването на напрежение, което дава транзисторът.
4. Както се вижда от фиг. 5.116, входната характеристика на
1|>анзистора има ясно изразен нелинеен характер. Това означава,
иг една страна, че за различии работай точки ще се получат раз-
ивши входни съпротивления, и от друга страна, че при променливи
пгнали с по-големи амплитуди ще се обхване нелинейният участък
пи характеристиката и ще се получат нелинейни изкривявания.
5. Както се вижда от фиг. 5.11а, схема ОБ не обръща фазата на
угиленото напрежение.
ЯВ. СХЕМА ОБЩ ЕМИТЕР. ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ,
< ГАТИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДИНАМИЧЕН РЕЖИМ
5.1. Принцип на действие
। хема на свързване ОЕ е показана на фиг. 5.12. Емитерният пре-
ход чрез токоизточника Ее е поляризиран в права посока. Понеже се
р.нглежда NPN транзистор, потенциалът на базата е положителен
Ч1|)ямо нулевия потенциал на общия електрод. Напрежението на
1ругия захранващ източник Ес е приложено между колектора и
митера. Напрежението UCB е разликата между двете захранващи
и.|црежения.
Нринципът на действие на транзистора при схема ОЕ по съще-
। ню не се различава от този при схема ОБ.
И тук емитерният преход е поляризиран в права посока, а ко-
'юкторният — в обратна. Инжектираните в случая електрони в ба-
на определят съставките на колекторния и базовия ток, така че
121
разпределението на токовете се подчинява на зависимостите (5.1)
и (5.2).
Като се знае, че 1Е —1С + 4 и 1с = а1Е, могат да се намерят след
ните изрази за колекторния и емитерния ток:
(5.16) /с=-^-/в = р/в,
I — а
+ №в-
Величината р е интегрален
коефициент на предаване (усил
ване) на тока от базата до колек
тораирн схема ОЕ. По аналоги
чен начин за диференциалния
коефициент на предаване на токи
за схема ОЕ може да се запипи
(5.19) /c = 6/fl+(l + ₽)/CB0.
За стойности на коефициента а
в границите 0,9—0,999, от (5.13)
се получава р= 10-Е 1000.
Ако се замести (5.17) в (5.3п^
получава се връзката между ко
лекторния и базовия ток с отчи
тане на обратния ток през колек
торния преход:
Ако се прекъсне базовият извод, 1в=0 и от (5.19) се получаи.1
токът /С£0 при отворена верига на базата:
(5.20) /OT=2£SL=(l+₽)Zc„.
I —а
Изразът (5.20) показва, че обратният колекторен ток при схем.)
ОЕ и отворена база нараства 0 пъти. Физическото обяснение in
това увеличаване на обратния ток е, че токът 1СВ0 на обратно но
ляризиранияколекторен преход преминава през емитерния преход
и се усилва |3 пъти. На фиг. 5.13 са показани различии начини нл
евързване на транзистора при схема ОЕ. Когато между базовия
и емитерния извод е евързан резистор /?£(фиг. 5.136), емитерния।
преход се шунтира и част от обратния колекторен ток !сво се откло
нява през RB, т.е. не преминава през емитерния преход. Ето запш
токът 1СЕК има по-малка стойност от тока /С£0. Най-малка стойно< i
за Ic.er (само няколко пъти по-голяма от 1СВО) сеполучава при RB о
122
В импулсни и други ключови схеми транзисторите често се нами-
рат в състояние, при което емитерният преход е запушен — фиг.
5.1 Зе. Ето защо редица производители на транзистори дават данни
и за съответния колекторен ток, който се бележи с ICEs.
Ice о I се я 1 ccs
а) В) В)
Фиг. 5.13
5.5.2. Статични характеристики при схема ОЕ
Входни характеристики. Входните характеристики на транзистора
при схема ОЕ определят връзката между базовия ток и напреже-
пието UBE при параметър (7С£ : IB = f(UBEyjc£=consi и са показани на
фиг. 5.14а. Знакът плюс пред 1В и UBE означава, че характеристи
ките се отнасят за транзистор тип NPN. Тези характеристики имат
същия нелинеен характер както входните характеристики при
схема ОБ и за стойности на UCE, по-големи от 1—2 V, много слабо
се влияят от колекторното напрежение. Те имат обаче и следните
различия:
1. Понеже входен ток е базовият, той има (1 + Р) пъти по-малки
стойности от входния ток 1Е при схема ОБ.
2. С увеличаване на колекторното напрежение изместването на
входните характеристики е обратно. Причината за това е също
ефектът на Ерли: за по-големи стойности на UCE сенамаляват ши-
рочината на базата и рекомбинационните пронеси. Ето защо при
неизменно напрежение UBE базовият ток се получава по-малък.
Характеристики на право предаване по ток lc = f(JB^
При схема ОЕ характеристиките са разположени близко една до
друга. На фиг. 5.146 е показана една характеристика, която е ана-
логична на тази при схема ОБ. Тук обаче по абсцисата е нанесен
не емитерният ток, а базовият ток, който е 1 -фр пъти по-малък от
е митерния. От тази характеристика може да се определи както ин-
тегралният коефициент на усилване по ток р, така и диференциал-
пият р.
Изходни характеристики Ic =f(UCE\B-K>nsi Изходните характе-
ристики са показани на фиг. 5.14в. Отличават се с три характерни
области: облает на насищане, активна облает и облает на електри-
чески пробиви.
123
Облает на насищане. Тя обхваща началния участък на харак
теристиките, в който колекторният ток бързо расте с увеличаване
на колекторното напрежение, за да достигне определена стойност
на насищане при UCE — UCsaX. Напрежението 0Csat се нарича напре-
жение на насищане. Причината за силното влияние на напреже
нието UCE върху колекторния ток в тази облает е начинът на свърз-
ване на външните източници на напрежение към транзистора. Как-
то се вижда от фиг. 5.12, докато източникът Ее е евързан към
емитерния преход в права посока, източникът Ес е включен между
емитера и колектора в обратна посока. При това положение напре-
жението, което се получава непосредствено върху колекторния
преход, е разликата между двете напрежения. За UCE=0 колек-
торният преход е поляризиран в права посока от токоизточника Ее.
Това предизвиква инжекция на електрони от колектора в базата,
конто се компенсират с протичащите електрони в обратна посока,
инжектирани от емитера и преминали базата. С увеличаване на
напрежението UCE обратната инжекция на електрони от колектора
в базата намалява и колекторният ток нараства. За L/CEz> UBE ко-
лекторният преход е поляризиран в обратна посока и колекторният
ток се определи от дифузното преминаване на електроните от еми-
124
герния преход към колекторния. Транзисторът вече е в активен ре-
жим.
Режимът на насищане се характеризира със силно увеличена
концентрация на неосновните токоносители в базата (насищане на
базата). Тъй като е валидно равенството IE=IC a /£ = const,
следва, че с намаляване на колекторния ток за този режим базо-
вият ток расте. При /с = 0 целият емитерен ток преминава през ба
ювия извод. Като се вижда, за областта на насищане колектор-
пият ток съвсем слабо зависи от базовия. Поради тази причина
усилването на електрически сигнали е или нула, или съвсем незна
чително.
Активна облает. Статичните характеристики при схема ОЕ в ак
гивната облает наподобяват тези при схема ОБ, но същевременно
имат някои характерни различия. Основната разлика е, че пара-
метър тук е базовият ток и в идеалния случай връзката между
входния и изходния ток се дава с израза /с = (3/в. Но при схема
ОЕ напрежението UCE се подава между колектора и емитера. Ако
базовият извод е прекъснат, това напрежение се разпределя ос-
воено върху двата прехода, конто са обеднели на токоносители.
Но тъй като при това разпределяне на напрежението колекторният
преход се оказва поляризиран в обратна, а емитерният — в права
посока, по-незначителната част от UCE поляризира емитерния пре
ход в права посока. Ето защо токът през колектора при прекъснат
базов извод е много по-голям от тока 1СВ0
Влиянието на изходната верига върху управляващия емитерен
преход се нарича вътрешна положителна обратна връзка при тран-
зисторите, която играе отрицателна роля в много от приложения-
га им. Тази обратна връзка дава отражение и върху наклона на ко-
лекторните характеристики. Всяко увеличение на колекторния ток
в резултат на ефекта на Ерли (който е разгледан при схема ОБ)
при схема ОЕ се усилва допълнително от емитерния преход (3 пъти.
Но този начин влиянието на колекторното напрежение върху ко-
лекторния ток за схема ОЕ е (3 пъти по-голямо от това при схема
ОБ. Това се отразява върху стойността на изходното съпротивле-
ние:
(5.21)
5.5.3. Динамичен режим на транзистора при схема ОЕ.
Усилвателни свойства
Свързване на транзистора в динамичен режим за схема ОЕ е пока-
щно на фиг. 5.15а. Твърде нагледно и особено полезно при работа
с по-големи сигнали и в ключов режим е графо-аналитичното раз-
125
глеждане на динамичния режим, свързано с товарната права в по
лето на колекторните характеристики.
За изходната верига на схемата от фиг. 5.15а може да се напише
(5.22) Uce=Ec — IcRc.
Това е уравнението на товарната права. Тя може да се прекара в
полето на колекторните статични характеристики — фиг. 5.156, ка
то се зададат две произволни стойности на величините UCE и /с. Та
ка например за 1С — 0 се получава UCE = FC. Нанася се т. М(1С =0,
Uce=Ec\ След това се задава стойност UCE, напр. UCE = 0. От
(5.22) се получава /с= —и се нанася т. N (1С = —С~, UCF =
= 0). През получените дв£ точки М и М се прекарва търсена га
права. На фиг. 5-156 тя е нанесена за Ес=10 V и /?г =2,5 |х<>
Работниге точки трябва да удовлегворяваi одновременно \рав
нението на товарната права и статичните характеристики. Ето за
що те са възможни само в точките на пресичането им. Ако чрез
потенциометър RP постепенно се увеличава базовият ток, работна-
та точка се премества от т. А до т. В. Върху товарната права също
се различават три характерни области.
Активна облает. В тази облает колекторният ток се регулира
чрез изменение на базовия ток. В нея се проявяват усилвателните
свойства на транзистора.
Облает на отсечка. Това е областта под характеристиката за
базов ток /во, наречена характеристика на отсечка. По-нататъшно-
то изменение на напрежението Е,, включително и обръщането на
неговата полярност, не изменя колекторния ток. Това следва от
работата на транзистора при обратно поляризиран емитерен
преход.
Облает на насищане (saturation). Тази облает е над и вляво
от характеристиката за базов ток /еьа1. Колкото и да се увеличава
базовият ток, статичните характеристики за /в> /fisat се пресичат с
товарната права в една и съща точка С. Следователно колектор
ният ток повече не се изменя.
Напрежението на насищане НС£ьа1 зависи от тока на насищане,
тъй като колекторните характеристики в началната облает се раз
клоняват ветрилообразно.
Коефициентът (степента) на насищане S се определи като отно
шение на действително установения ток в базата 1В към граничния
ток на насищане /Bsat;
6isat
С увеличаване на сънротивлението на резистора в колекторната
верига R( при едно и също напрежение Ег товарната права отново
126
lc,mA
Bfif П Ji
////////////////////////. Облает на
насищане
BSAT
Активна
облает
~~2
^СА
/1
BA
Облает на
отсечка
[во
Ес 12 UCE, V
127
заночва от т. 7И, но се наклонява към абсцисната ос. Това увели
чава коефициента на насищане в случай, че установеният ток в ба
зата се запазва, тъй като се намалява токът /Csat
На фиг. 5.15 в в увеличен мащаб са показани колекторните ха
рактеристики около нулата, който определят границите между ак
тивната облает и областите на насищане и отсечка. Параметритt
Uo, Io и rCsat играят важна роля при използуването на транзистора
като електронен ключ за превключване и преобразуване на елек
трически сигнали.
На фиг. 5.156 в полето на входната характеристика е прекарана
товарната права за входната верига, която се получава, като се
приложи вторият закон на Кирхоф:
(5.23) Et = lBRBUBE.
От нреенчането на товарната права с входната характеристика
се определи работната точка А'.
5.5.4. Транзисторът като електронен ключ
Транзисторът може да работи като електронен ключ във всички
цифрови и импулени схеми; при преобразуване на постоянно в про
менливо напрежение (в силовата преобразувателна техника); като
ключ, заместващ електромагнитно реле и т.н.
Когато транзисторът функнионира като електронен ключ, роля
та на «контакти» се изпълнява от електродите колектор и емитер
Този ключ се управлява чрез сигнали, подавани на емитерния или
на колекторния преход (в инверсно свързване). При права полярн
зация на управляващия преход се установява много малко напре
жение UCEsat и транзисторът представлява затворен ключ. При
обратно поляризиран управляващ преход транзисторът е запушен
и представлява отворен ключ.
По-прецизно работата на транзистора като електронен ключ мо
же да се разгледа с помощта на схемата от фиг. 5.16а. На фиг.
5.166,8 са илюстрирани статичните характеристики с товарнат.1
права и времедиаграмите, отразяващи включеното и иэключенотп
състояние на транзистора.
До момента /1 емитерният преход е запушен. Товарната права
пресича характеристиката на отсечка в т. В, в резултат на което и
товарния резистор се получава напрежение (7Д =/ц/?д, клоняпш
към нула. Транзисторът е отворен ключ.
В момента t\ се подава положителен импулс на базата и трап
зисторът преминава в режим на насишане — г. С от товарнаы
права Напрежението върху транзистора е много малко: UCE
= (7о+ rCsal 1С Основната част от напрежението на източника I
се установява върху товарния резистор: UR = Е— UCEsiB.
128
Транзисторът не е идеален ключов елемент. Идеалният ключ при
включено състояние има съпротивление нула и върху него не се по-
|учава пад на напрежението. В изключено състояние съпротивле-
пието на идеалния ключ е безкрайност и през него не протича ток.
Фиг. 5.16
5.5.5. Транзисторът като усилвателен елемент
Транзисторът работи като усилвателен елемент, когато изходната
работна точка и разколебанията около нея, причинени от пода-
чсния на входа сигнал, са в активната облает на статичните ха-
рактеристики.
' l..irkrpullllli и полуприводиикмви црибирв
129
Да разгледаме действието на транзистора като усилвател на
променливотокови сигнали, свързано с пронесите, протичащи в
транзистора. За целта ще използуваме схемата, показана на фиг.
5.17 с PNP транзистор.
Напрежението Ев поляризира емитерния преход в права посока,
както при схема ОБ. Спрямо общата нулева точка обаче то е от-
рицателно. Последователно на този източник е свързан източни-
кът на променливия синусоиден сигнал, подлежащ на усилване.
За положителния полупериод на променливия сигнал право поля-
ризиращото напрежение на прехода се намалява, с което се на-
маляват по абсолютна стойност и всички токове в електродите
спрямо съответните стойности при липсата на този сигнал. Тези из-
менения, означени на фиг. 5.17 като Д/в, А/с и Д/£, са с посоки,
противоположни на посоките на постоянните токове /в, /с и
/£. Променлив,мят ток А4 е изходен ток и протичайки през товар-
ния резистор Rc, създава пад на напрежението kURc, който за раз-
глеждания полупериод е с отрицателен потенциал спрямо масата.
Отрицателният полупериод на входного напрежение предизвиква
обратни изменения на токовете, респ. на променливотоковия пад в
товарния резистор. На изхода през разделителния кондензатор С
се получава само променливото напрежение Дизх=АДКс.
От направените разеъждения се вижда, че за разлика от схема
ОБ схема ОЕ обръща фазата на усиленото напрежение на 180° —
на положителен полупериод на входного напрежение съответству-
ва отрицатёлен полупериод на изходното напрежение и обратно.
Обръщането на фазата на усиленото напрежение може да се види
и от илюстрацияТа на процесите върху статичните характеристики
на транзистора (фиг. 5.18).
Условията на работа на транзистора по отношение на напре
женията при схема ОЕ по нищо не се различават от тези при схема
ОБ — постоянного и променливото напрежение отново се подават
130
и । емитерния приход, а изходен ток е сыцо колекторният ток Сле-
птателно схема ОЕ осигурява същото усилване по напрежение,
киквото има схема ОБ.
Гвърде съществено предимство на схема ОЕ е, че входният ток
г гокът на базата. 1ова има две следствия. Първо — от източника
па променливи сигнали се черпи (1 (3) пъти по-малък ток, респ.
мощност. Понеже това става при същото входно напрежение, как
io при схема ОБ следва, че схема ОЁ има (1 + Р) пъти по-голямо
входно съпротивление. Второ — усилването по ток от базата до
колектора при схема ОЕ е [3 пъти по-голямо. Ето защо при схема
ОЕ се получава (3 пъти по-голямо усилване по мощност спрямо
i хема ОБ.
Тези предимства са твърде съществени, което е причина за най-
широкото приложение на схема ОЕ.
Усилвателните свойства на транзистора могат да се демонстри-
рат графично върху полетата на статичните характеристики, даде-
пн в обща координатна система на фиг. 5.18. Върху полето на ко-
лекторните характеристики е начертана товарна права съгласно
уравнението
(5.24) Uce = Ec — 1cRc.
Тази права е прекарана за Ес = —12 V и /?с = 4 kQ. Нека по-
131
средством поляризиращия източник Ев се зададе колекторен ток
1Сд = 1,5 mA. От (5.24) за постоянното колекторно напрежение се
получава
U = 12- 1,5 . 10 3 . 4 . 103 = 6V.
Установената работна точка А има координаги /Сл = 1,5 mA и
ЕСЕд =6V. Проектирането на т. А в полето на характеристика га
на право предаване и в полето на входната характеристика поз
волява да се получат съответните работни точки А' и А".
Когато на входа се подаде синусоидно напрежение, чрез обратно
проектиране от входната характеристика към характеристиката на
правото предаване и изходните характеристики се получават из
мененията на колекторния ток и колекторното напрежение Oi
графичното изображение могат да се отчетат амплитудните стой
ности на съответните електрически величини и да се пресметши
основните динамични параметри на схемата:
U8E„, =0,035 V; /в,„=20 рА; /с,„ = I mA; Пс„,=4 V;
UliEm 0.035
За коефициента на усилване но ток се получава
а за входното съпротивление
0,035
/в„, 25.10 "
1,4 kQ
КР = Кс К, = 114.40 = 4560.
Графе аналитичният начин за нресмятане на усилвателите сс
използува при усилвателите на могцпост, за конто променлпвитс
сигнали обхващат широка облает от статичните характеристики
Маломогцните усилватели работят с малки сигнали. В тези слу
чаи транзисторът се разглежда като линеен елемент и за пресмя
тане се използуват четириполюсни параметри.
5.6. УСИЛВАТЕЛНИ СВОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРА ПРИ СХЕМА ОК
Статичните характеристики за схема ОК не намират практически
приложение и не се дават в справочниците.
Схемата на свързване на транзистора с общ колектор е показа
на на фиг. 5.19. Посредством източниците Ев и Ес се осигурява
постояннотоково захранване на преходите както при останалитг
две схеми на свързване, така че се създават постоянни токове
132
hл< Iba и !ca - Променливото напрежение et за тази схема на свърз
папе се подава на емитерния преход, но през товарния резистор
W,, от който се взема изходното напрежение. Следователно при
1ази схема на свързване входното променливо напрежение се раз-
пределя както върху еми
|ерния преход, така и като
п )ходно напрежение. Това
ппределя редица особени
качества на схемата
От фиг. 5.19 се вижда,
че за променливите сигна-
111 колекторът през кон-
цснзатора Сг е свързан на
к i.co към маса. По този на-
чин колекторът е обща
ючка за входната, така и
i.i изходната верига и схе-
мата е с общ колектор.
Входното напрежение се
подава директно на колек-
юрния преход, който оба-
че е поляризиран в обратна посока и чрез него не могат да се ун-
равляват токовете в транзистора.
За да разберем процесите и особеностите на схема ОК, ще из-
ползуваме примера, даден при разглеждане на схема ОБ. Нека
приемем, че са избрани същата работна точка и същото измене-
ние на емитерното напрежение, респ. на емитерния ток, така, както
показано на фиг. 5.116.
За £m=AC7B£ = 10 mV се получава А/£=0,4 mA.
Ако съпротивлението на резистора RE има стойност 5 kQ, ампли
(удата на променливото напрежение АЦ- ще бъде
\UE = i\lERr = 0,4.10-3.5.103 = 2V (на фиг. 5.19 моментните посо-
пи на напреженията са показани със знаците в скоби).
Очевидно е, че за получаване на такъв пад в емитерния преход,
। оттам и в резистора RE, е необходимо амплитудата на входното
п.шрежение да бъде равна на сумата от \UBE и А(7£:
\£вх = Е1т=д(У-р At/ =2 + 0,010=2,01 V.
От направените разсъждения се виждат следните особености
'I схема ОК:
I. Транзисторът при схема ОК е обхванат от стопроцентова
шрицателна обратна връзка по напрежение: цялото изходно на-
прежение се връща на входа, така че се изважда от полезния
пгнал.
2. Коефициентът на усилване по напрежение на транзистора
< впнаги по-малък от единица. За приведения пример
Ки =^^=-2-= 0,995.
и Ет 2,01
3 Фазата на усиленото напрежение съвпада с фазата на вход
ното напрежение. Понеже в същото време изходното усилено
напрежение е почти равно на подаденото на входа (7+^1) и то
варният резистор е включен в емитерната верига, схема ОК се на
рича още емитерен повторител.
4. Коефициентът на усилване по ток е (1 4- Р)> тъй като входсн
ток е базовият ток, а изходен — рмитерният, който е сума от базо
вия и колекторния ток.
5. Схема ОК има най-голямо входно съпротивление в сравш
ние с останалите две схеми на свързване.
От разгледаните примери е ясно, че за един и същи постоянно
токов режим при схема ОБ се получава /?вхВ = 25 Q. При входною
съпротивление се получава, като се раздели входното напреженш
на входния ток:
^вхС
ДС„
Д/g
д/в
Като се замести в тази формула /\U,. = /\JERE, се получава
(5.25) ./?Е+^=(1+₽) Re + RbxE
Мв мв
или
(5.26) /?ВХС«(1+Р) № + Q
Както се вижда от горния израз, входното съпротивление при
схема ОКе равно на входното съпротивление при схема ОЕ плкк
емитерното съпротивление, умножено по коефициента на усилв.1
не по ток (1 + (3).
Ако р = 250 и /?£=5кН, получава се /?вх(. = (1 + 250). (5.103 |
+ 25)= 1,26 МП.
5.7. СХЕМИ НА ЗАХРАНВАНЕ НА ТРАНЗИСТОРА ПО ПОСТОЯНЕН ГОК
В разгледаните примери за изясняване на усилвателните свойств.!
на транзистора постояннотоковото захранване бе представено
с два токоизточника, евързани по най-елементарен начин bi,и
входната, респ. в изходната верига. На практика най-често се ш
ползува захранване от един токоизточник или ако са два, то им.!
никои особености в евързването им към преходите. По-долу (.1
разглелани най-често срещаните схеми на захранване при схе
ма ОЕ
134
5.7.1. Схема за захранване с фиксиран ток
Схема на захранване с фиксиран ток е показана на фиг. 5.20. Из-
ползува се общ токоизточник Ес, с който се захранват базата и
колекторът през съответните резистори RB и /?с. Ако се разгледа
токовият контур — захранващ източник Ес, базово съпротивле-
Фиг. 5.20
ние RB и участъка база — емитер на транзистора, в съответствие
с втория закон на Кирхоф може да се напише
(5.27) 1BRB Т- Ube = Ec.
По съответния начин за колекторната верига
(5.27а) UCe + 1сЪ —Ес-
От (5.27) се намира базовият ток
(5.28) /в=-£с~^ .
Кв
На практика Ес — 54-20 V, a UBE =0,64-0,7 V, т. е. Ec^Ube.
Това означава, че токът в базата се фиксира чрез резистора, RB,
р
т. е. 1В=—с-, и зависи от стойността на захранващото напре-
те _
жение Ес. Известно е, че /С = $1В. Следователно с фиксирането
на базовия ток се определи еднозначно и колекторният ток на
транзистора.
Нека приемем, че за транзистор с р=250 и (7ft£=0,65 V схема-
та на захранване има параметри Ес = 12 V, /?в=3,3 mQ, Rc=t kQ
и да определим тока /с и напрежението UCE.
IB = ‘j-ces =3 44
в 3.3.10ь
/С = Р 1В = 250.3,44.10“6 = 0,86 mA;
135
UCE = Ec — /с /?с = 12 — 0,86.10 3.4.103 = 8,56 V.
Нека сега транзисторът бъде заменен с друг, за който р = 500.
Тъй като токът в базата е фиксиран, колекторният ток е 1С =
= |3 1В =500.3,44.10“®= 1,72 mA и за колекторното напрежение
се получава UCE = 12— 1,72.10 3.4.103 = 5,12 V.
Проведеният пример показва най-съществения недостатък на
схемата за захранване с фиксиран ток — работната точка не е
стабилна и силно зависи от параметъра (3 на транзистора. Това
е голямо неудобство при замяна на транзистори при масово про-
изводство на дадена схема, тъй като |3 варира значително.
На фиг. 5.20 с прекъсвана линия е показан начинът на свърз
ване на източника на променливия полезен сигнал към входа на
транзисторите. Чрез кондензатора С се раздели променливотоко-
вата от постояннотоковата верига.
5.7.2. Схема за захранване с фиксирано напрежение
Схемата за захранване с фиксирано напрежение е показана на
фиг. 5.21. В този случай базата се захранва с делител на напре-
жение, а в емитерната верига е включен резистор RE.Показан е
транзистор PNP, поради което полярността на захранващия из-
точник е различна от предната схема.
I =— I ~1
Фиг. 5.21
136
Обикновено токът през делителя в базата се избира така, че
/, ^>/е или /| =(54-20) /е. Тогава за напрежението на базата спря-
мо нулата се получава
( >.29) UB = - . /?,
в Rx + R-,
I laiipc/hcniicio oi своя прана се разпределя като пад вър-
ху прехода база емитер и като пад на напрежението в емитер-
ппя резистор:
(5 30) ив = иьь + 4 RE « 0,7 + 4 Re -
(;i определим постояннотоковия режим в транзистора за показа-
на ге на схемата стойности на съпротивленията и за две стойности
и । 0 : 01=250 и 02 = 500.
Р„ =—= |,71 V.
10.10-1+ 60.103
От (5.15) се определи
(,31) 4^^~0J = 1,01 mA.
Re
la 0, =250 се получава
/,к=-£—. 4 =—.1,01 = 1,005 mA; UCE = ЕС — lc Rc = 7,7b V.
|+p 251 > ct с с ч? ,
la 02 = 500:
I =^.1,01 = 1 008 mA, UCE = 7,968 V.
501
Разгледаният пример показва, че схемата за захранване с фик-
<прано напрежение осигурява значителна стабилност на работ-
ii.ua точка. Това се дължи на отрицателната обратна връзка през
и шстора Re. Ако колекторният ток, респ. емитерният, се увеличи
поради някаква причина, увеличава се падът на напрежението
и резистора RE, намалява напрежението UBE и съответно намалява
мптерният ток. Следователно автоматично се извършва компен
‘ .щия (в определена Степан) на първоначалното изменение.
i 7.3. Температурка нестабилност на работната точка
кмпературната нестабилност на работната точка на транзисто-
рна се определи от температурната зависимост на параметрите
I in , 0 и 4В(>- За съвременните силициеви транзистори температур-
ii.ua нестабилност се определи предимно от UBE.
Установено е, че при постоянен емитерен ток напрежението UBE
г плияе от температурата, както следва:
(I. 32) UBE (T)=URE (25°С)+еАГ;
137
(5.33) AUBE = UBE (Г) - UBE (25°C) = eAT,
където e= —(1,54-2) mV/°C e температурният коефициент на из
менение на емитерното напрежение (TKUBE).
Изменението на колекторния ток, респ. на колекторното напре
жение, при изменение на 1)ВЕ от температурата се определи с фор
мулата
(5.34) Мс =-------; \UC = - Мс . Rc,
където с RB е означено еквивалентното съпротивление в базата
За схемата от фиг. 5.21 това е RB = — — .
Rl —|— /?2
Когато се повиши температурата, се получава &UBE <0 и колек
торният ток нараства. В същото време колекторното напрежение
намалява. При понижаване на температурата се получават об
ратни ефекти.
Изместването на работната точка при изменение на температу
рата е особено нежелателно при усилвателите на постояннотоковн
(бавно изменящи се) сигнали. В този случай температурното из
менение MJBE действува като паразитен сигнал на входа. Такз
например, ако схемата работа при температурни изменения АТ =•
= 20°С и приемем е= —2 mV/°C, получава се паразитно напрг
жение на входа &UBE — —20°С. 2 mV/°C= —40 mV, което се на
рича напрежение на температурния дрейф, приведено към входа
5.8. МАКСИМАЛНО ДОПУСТИМИ ПАРАМЕТРИ НА ТРАНЗИСТОРИТЕ
Максимално допустимите параметри определят възможностик
за максималното използуване на транзисторите в схемите. Тяхно
то превишаване е недопустимо, тъй като сыцествува опасност oi
повреждане (късо съединение на никой от преходите, прекъеванг
на връзката на базата или емитера).
5.8.1. Максимално допустима разсейвана мощност
на транзисторите
Максималио допустимата разсейвана мощност на транзисторин
се определи от максимално допустимата температура на прехо
да, условиита на топлоотделяне и температурата на околнати
среда.
При превишаване на определена температура на PN преходи
в него настъпва необратими процеси, конто причиняват поврем
дането му. Ето защо за всеки тип транзистор се гарантира макси
мална температура на прехода, при която работата е сигурна и
138
надеждна. Тази температура за германиевите транзистори е 85—
90°С, а за силициевите —125—150°С.
При определена температура на околната среда температура-
та на транзисторната структура се определи от сумата на разсей-
ваните мощности в колекторния преход Рс и в емитерния преход
Ре-
(5.35) Р = Рс + РЕ = UCB Ic + UBE 1Е.
В повечето схеми на приложение UCB'^UEB, поради което се
взема предвид само разсейваната мощност в колекторния преход.
Максималната разсейвана мощност за маломощните транзисто-
ри се регламентира при температура на околната среда 25°С.
Освен това в справочниците се дава допълнителна графична за-
висимост на допустимата мощност от температурата. Такава за-
висимост е показана на фиг. 5.22 за транзистор с максимална раз-
сейвана мощност 200 mW. Тя отразява връзката между Ртах, мак-
симално допустимата температура на прехода Т/гпах, топлинното
съпротивление преход — околна среда Rthj_a и околната темпе-
ратура:
(5.36) Pmax=^zk,w.
j — а
Р
гстак
Фиг. 5.22
Както се вижда от графиката, за tu— 125°С Ртах=0. Съгласно
(5.36) това означава, че за транзистора се допуска //тах = 125°С.
Такива данни са характерни за маломощни транзистори, пресу-
вани в пластмасов корпус, където топлоотделянето не е така ефи-
касно.
139
След като е известна температурата tjmaK, топлинното съпротив
ление Rlhj_a може да се определи, като се отчетат Ртах и ta за про-
изводна точка от графиката. Така например за /О = 25°С съот
ветствува Pmax=200 mW и за Rlh^ a се получава
Р(А 125-25 = 50qoC/w
Pnax
В средномощните и мощните транзистори се отделят значителни
мощности и се налага да се предприемат допълнителни мерки за
отвеждане на топлината в околното пространство.
На фиг. 5.23 схематично са представени кристалът, в който се
отдели мощността Р и се превръща в топлина, корпусът, в кой-
то е монтиран транзисторът, изолацията между корпуса и спе-
циалната охладителна плоча и самата охладителна плоча (ра-
диатор). Топлината, респ. отделената мощност, се пренася насе-
чено от кристала към околното пространство подобно на ток през
определени съпротивления.
Като си има предвид заместващата схема на фиг. 5.23, може
да се направи следната аналогия: топлината, респ. разсейвана-
та мощност Р, е екви валентна на електрическия ток, температу
рите на съответните точки са равнозначни на електрически потен-
циали и топлинното съпротивление на различните среди съот-
Фи1. 5.23
ветствува на омично съпротивление. Тогава за еквивалентната
топлинна схема от фиг. 5.23 може да се напише
(5.37а) tj=P(Rth + Rlh c_r + Rlh r_o) + ta.
140
Но температурата на прехода за мощнн силициеви транзистори
не трябва да превишава max = 150°С. Това означава, че мощ-
ността, която може да се отдели в транзистора, без да се преви-
шава максималната температура на прехода, е толкова по-голя-
ма, колкото е no-малка стойността на топлинното съпротивление
преход — околна среда:
(5.376)
Да разгледаме поотделно трите съставки на общото топлинно
сьпротивление.
В справочниците максимално допустимата разсейвана мощност
<а мощните транзистори се определи при зададена температура
па корпуса и на прехода; най-често /Ц = 25°С и тах = 150°С. Оче-
видно такава мощност би могла да се отдели без превишаване на
/,тах само ако се замести в (5.37а) +^Лг_о =0, т. е. при
пдеални условия на отвеждане на топлината. На практика обаче
гоплинните съпротивления Rl/ic_r и Rthr_a имат крайни стойности.
Гова означава, че примерно един 40-ватов транзистор в ннкакъв
случай не може да разсее мощност 40 W в реални-условия.
Като се знае Ртах за определена температура на корпуса, лесно
се намира топлинното съпротивление преход — корпус по форму-
лата
Гака например българските 40-ватови транзистори (2Т7531,
'2Г7532 и т. н.) имат Ртах=40 W при температура на корпуса tc=
25°С. Тогава за Rlhj_c от (5.38) се получава
Rlh =250-25 = 3 ! 25оСw
1 с АО
Действителната мощност, която може да се отдели в транзисто-
ра без да се превишава максималната температура, се определя
ог (5.37а):
(5.39)
max
Rthl-c + Rthc- r + R/hr-a
За да се получат по-големи допустими мощности, е необходимо
la се осигурят по-малки топлинни съпротивления между корпуса
и.’| транзистора и радиатора — Rlhc_r, и между радиатора и окол-
п.тга среда Rthr-u- Колекторът на мощните транзистори е елек-
||шчески свързан с корпуса им. Когато схемата позволява, тран-
шсторът се притяга непосредствено върху охлаждащата повърх-
iiiicT. В тези случаи за корпус ТО-3 например се постига R,hr_u око-
к) 0,2°C/W. Ако повърхностите се намажат със силиконова паста,
ища съпротивление може ла се намали и до O,1°C/V\.
J4I
В някои случаи се налага корпусът на транзистора (колекто-
рът) да е изолиран от металния радиатор. В този случай между
корпуса и радиатора се поставят тънки пластини от слюда, хоста-
фан или други изолационни материали. В тези случаи топлинно-
то съпротивление между корпуса и радиатора нараства на 0,8—
1,5°C/W.
Топлинното съпротивление радиатор -— околна среда зависи от
охлаждащата повърхност на радиатора. Повърхността S на ра-
диатор, представляващ метална плоча, може да се изчисли при-
близително от фор мулата
1200 4-1500
р "th j — c "th с —г
Произвежда се стандартни охладителни ребра, чието топлинно
съпротивление е известно.
5.8.2. Максимално допустими напрежения
Физичният смисъл на електрическите и топлинните пробиви в PN
прехода е разгледан в т. 3.6. Режимът на работа, при който те на
стъпват, е авариен и не трябва да се допуска, тъй като в повечето
случаи повр^жда структурата. Това ограничава прилагането на
напрежения до определени максимално допустими стойности.
Максимално допустими напрежения на колектора. Максимално
допустимите напрежения на колектора са свързани с пробивите и
колекторния преход. В зависимост от схемата на евързване тези
напрежения биват: напрежение UCBO, определено между колектора
и базата при отворена емитерна верига (фиг. 5.24п), и напрежс
ние UCEO, определено между колектора и емитера при отворена
базова верига — фиг. 5.246. На фиг. 5.24в е показана схема на
евързване, при която се определи т.нар. пробивно напрежение
Фиг. 5.24
UCER. В тези случаи във външнага верига между базата и емит<
ра е включен резисторът RBE.
В германиевите PN преходи, както ни е известно, настъпват топ
линии пробиви. Поради по-големите им обратни колекторни токо
142
iif 1гво при схема ОЕ положителните обратим връзки през емитер-
ння преход предизвикват по-ранни пробиви от тези при схема ОБ.
61 гова напрежението UCB0 има по-големи стойности от UCE0. При
илициевите транзистори тези причини действуват в много по-мал-
it.i степей. Тук обикнове-
||о пастъпват електричес-
iiii пробиви, при което
колекторният ток стръм-
||о нараства — фиг. 5.25.
II шреженията на пробив
। с фнксират за стандар-
пииран ток 1СО. Напре-
кгпието UCEO за сили-
нневите транзистори е
•коло 2 пъти по-малко
1,1 Ucbo- Често в катало
ппе се дава UCER при
малки стойности за RBE.
В гози случай пробивно-
1о напрежение UCER поч-
||| се изравнява с UCBO.
Описаните дотук пробивни напрежения се отнасят за запушени
I'N преходи. Мощните транзистори обаче работят с големи напре-
кгпия при големи токове. При това положение в тях се отдели зна-
инелна мощност и поради неизбежни неравномерности в преходи-
н- гокът се концентрира в малки плоти — «шнурове». Това причи-
। та локално загряване до много по-високи температури и проби-
тие настъпват при напрежения, по-ниски от UCEO. Тези пробиви
наричат вторични. Ето защо мощните транзистори се подлагат
и.। специални изпитвания, чрез конто се определи т.нар. зона на
и' «таена работа.
Когато транзисторът работи в активен режим, при схема ОЕ за
н исейваната мощност може да се напише изразът
1 Юа) РС -/с£ max
Гогава
Юб)
/<
р
гС шах
РСЕ
Гази зависимост определи в полето на координатната система
I, , UCE т.нар. гипербола на допустимите загуби. За да се получи
нрава линия, зависимостта се чертае в двоен логаритмичен мащаб.
На фиг. 5.26 е показана зоната на безопасна работа на българ-
кпте 40-ватови транзистори тип 2Т7531—38.
До т. А токът се ограничава от максималния колекторен ток
/, mix =4 А. От т. А до т. В ограниченията се определят от РП1ах в
< 1.ответствие с (5.40 6). От т. В до т. С транзисторът трябва да ра-
143
боти с мощности, по-малки от ₽тах. В противен случай има оп;к
ноет от настъпване на вторични пробиви. В т. С се достига пробив
ноте напрежение UCEO (за транзистори 2Т7537—38). С усъвъц
шенствуване на конструкциите и технологията все повече се увели
чават максимално допустимите мощности на мощните транзисш
ри. Масово се произвеждат 400-ватови транзистори и транзистори
с пробивни напрежения 1000—2000 V.
Максимално допустими напрежения на емитерния преход. II
никои схеми на емитерния преход на транзисторите се подава о0
ратно напрежение за определен интервал от време. Ако то превишп
определена стойност UEBO, може да се получи пробив на емитер
ния преход. За силициевите планарно-епитаксиални транзистори
ИЕВО е обикновено около 5—6 V.
144
5.8.3. Максимално допустим колекторен ток
1а зададено колекторно напрежение колекторният ток не трябва
ди презишава стойността, при която колекторните загуби се уве-
личават над допустимите. За редица транзистори максималният
колекторен ток се определи свързано със закривяването на характе-
ристиката на правото предаване по ток. Като указание за дости
гане на максималната стойност на колекторния ток служи нама-
ляването на коефициента на усилване по ток с предварително оп-
ределен процент.
При някои силициеви транзистори, изготвени по планарноепи-
гаксиалната технология, максимално допустимият ток се опреде-
|я от дебелината на проводника, от който се прави изводът на ко-
ц’ктора. За маломощни транзистори /Стах = 10-4-50 mA. Специал-
ии мощни транзистори работят с колекторни токове, достигащи
до 500 А.
и шоди
Ti ният '.'Пи.। на дет iнт
Heoci
емитера Нры 1МШ1И. в |.v<\.1
наваги «т получава Иолёктор
ЮрПИЯ I ЯИТернИЯТ up. VII I
Малки и нпя на н<тов«л
-i'll,, л то голем1' и и
опре 1ГЛ1 ни чр< . дифер
Измененията на кодек
е основана ни дирскиил
'HiK'inели, инжекгираии о
i..i пн:а л pi г I ин преми
юк, почти равен на емн
ляризиран и права nocoi.i:
напрежт ние предизвиква
ни емитерния юк \/г =
HI 11 ЗЛИ’» Ml , blip и i И ВЛ С11 Hl
•рния । ок с а
н ити равни на измененията на емитерния юк \1С
aAL'a- 0 98 0,999). Колекторният преход е поляризиран
обратна потока и има го.тямо с ьпротивление което поз
волява включване на високоомен резистор в из одната ве
рига б< това да влияе върху стойност га на колекторния
гик Колекторният ток, протичайки пр< . говарния резне
гор с;,.|дава пад на напрежение значител
но по-голям от измененията \UBt във входната верига
Получава . • коефициент на усилване по напрежение
X/ г
R(
Въпроси и задачи
I. Начертайте вертикалната геометрия на планарни PNP и NPN транзистори.
От какъв порядък са геометричиите размери на отделимте слоеве?
10 Слектронни и полупроводннковн прибори
145
2. Начертайте структурата на NPN и PNP транзистор при схема ОБ, като пока
жете полярността на източниците във входната и изходната верига.
3. Какво представлява транзисториият ефект? Обяснете явленията на протича
не на токовете в една транзисторна структура.
4. Намерете по графо-аналитичен път ге от входната характеристика иа фиг. 5.13
за емитерен ток /£ = 0,2 mA. Сравиете получения резултат от формулата
0,03
геж----- и изчислете получената грешка.
(е
5. Какво представляват коефициентите а и р и какви стойкости имат?
6. Изчислете коефициента на усилване по напрежение за схема ОБ за две работ
ни точки — 1Е =0,2 mA и /£ = 1 mA при Rq = 10 kQ. Сравнете получените ре
зултати. Направете същото и за схема ОЕ.
7. Какви са характерните особености на схема ОК в сравнение с останалите две
схеми на свързване?
8. Начертайте схема за захранване иа транзистора с фиксиран базов ток. Като
използувате втория закон на Кирхоф, напишете уравненията иа товарните
прави за входната и изходната верига.
9. Направете същото както в т. 8, ио за схема за захранване на транзистора с
фиксирано напрежение на базата.
10. Кои са основните максимално допустими параметри на транзисторите?
ГЛАВА ШЕСТА
Усилвателните свойства на транзистора за трите схеми на свърз
ване бяха разгледани дотук в тясна връзка с физичните процеси
на протичане на тока в Структурата на транзистора. Част от изво-
дите и числените пресмятания са извършени с известии приближе-
ния. Прецизно третиране на качествата на транзистора,като усил
вател на малки сигнали се извършва чрез използуване на еквива
лентни схеми и четирипО|Люсни параметри. Трябва още веднъж да
се подчертае, че разгледаните по-долу еквивалентни схеми и чети
риполюсни параметри се отнасят за достатъчно малки изменения
на електрическите величини около избрана работна точка, при кое-
то не се засягат нелинейни области от характеристиката на тран
зисторите. За такива малки променливи сигнали транзисторът се
разглежда като линеен нетириполюсник.
6.1. ЕКВИВАЛЕНТНИ СХЕМИ НА ТРАНЗИСТОРА
Широко приложение за анализ на работата на транзисторите п
електронните схеми намират еквивалентните схеми за променлии
ток. Те са съставени от определен брой пасивни елементи и генера
146
три на ток, чийто физичен смисъл и начин на свързване зависят
(>| характера на протичащите в транзистора процеси.
Когато се каже, че еквивалентната схема е за променлив ток,
юна означава, че всички пасивни и активни елементи, конто я със-
N
$)
Фиг. 6.1
i.iпят, са определени като диференциални, т.е. като отношение на
1.1лки изменения на електрическите величини.
11ай-елементарната еквивалентна схема е Т-образната. Нейната
। кнфигурация при схема ОБ и връзката на съставящите я елемен-
||| със структурата на транзистора са показани на фиг. 6.1а. Тъй
к.но е за променлив ток, валидна е както за NPN, така и за PNP
|||.шзистори.
Всички елементи имат определен физичен смисъл. Поради то
ва освен като параметри на еквивалентната Т-образна схема ю
са известии като физични параметри на транзистора.
Условно се приема, че съществува вътрешна точка Ь', в която
са свързани почти всички елементи.
Съпротивлението ге е. познатото ни диференциално съпротип
ление на емитерния преход. То има малки стойности, тъй като пред
ставлява диференциално съпротивление на PN преход, включен
в права посока. След като знаем характера и физичния смисъл ii.i
ге, става ясно, че поради нелинейните връзки между токовете и
напреженията параметрите на Т-образната еквивалентна схема
зависят от постояннотокввата работна точка, за която са опреде
лени.
Капацитетът Се е дифузният капацитет на емитерния преход
Неговата стойност е в правопропорционална зависимост от посто
янния емитерен ток. Се е включен паралелно на ге. Ето защо влия
нието на реактивното съпротивлениесе проявява при мною
високи честоти.
Съпротивлението на базата гь се състои от две съставки: гь' и г/
Първата съставка отразява разпределеното омично съпротивлеит
на полупроводника в базовата облает. Определи се от специфич
ното съпротивление рь и от широчината на базата wb по формула,л
, Pt
ГЬ о---- '
Съпротивлението гь отразява процеса на модулация на базовою
съпротивление, причинена от ефекта на Ерли. Тъй като еквивн
лентната схема е за променлив ток, тя се използува за анализ ни
усилвателните качества на транзистора, т.е. при динамичен режим
В изхода тогава се получава усиленото променливо напрежение
което измени широчината на колекторния преход и модулира база
та.
Генераторът на ток aie отразява активните (усилвателните)
свойства на транзистора. Транзитното преминаване на неосновни
те токоносители, инжектирани от емитера, през базата определи и
изходната верига ток aie, чиято стойност практически не зависи
от включеното в изходната верига съпротивление и от напрежение
то и?. Ето защо се въвежда генератор на ток с безкрайно голями
вътрешно съпротивление.
Съпротивлението гс е съпротивлението на колекторния преход
чийто физичен смисъл е вече известен и знаем, че rc = 1\UCB/IC. 1Io
неже колекторният преход е поляризиран с постоянно напрежеши
в обратна посока, колекторният ток слабо се влияе от нэходнош
напрежение и гс има много големи стойности.
Капацитетът Сь.с е бариерният капацитет на колекторния пр<
ход. Той, както е известно, намалява по стойност с увеличават
148
пл постоянного напрежение, поляризиращо колекторния преход в
обратна посока.
Гака разгледаната Т-образна еквивалентна схема отразява че-
(готните качества на транзистора при сравнително невисоки често-
III. За по-високи честоти се използуват П-образни и по-сложни
гкпивалентни схеми.
Иа фиг. 6.16 е показана нискочестотната Т-образна еквивалент-
п.ч схема на транзистора при евързване в схема ОЕ. При тази схе-
ма генераторът на ток е Р4, тъй като входен ток е токът на базата,
и коефициентът на усилване по ток е р. Посоката на тока при този
। оператор на ток е обратна на посоката при схема ОБ.
Съпротивлението на колекторния преход е г?=—, а капаците-
и.т Q% = pC6,c.
*2. ЧЕТИРИПОЛЮСНИ ПАРАМЕТРИ НА ТРАНЗИСТОРА
(киовни определения. На фиг. 6.2 транзисторът е представен като
чегириполюсник — с две входни и две изходни клеми.
За достатъчно малки електричееки сигнали при анализите се
и июлзуват малки участъци от статичните характеристики, конто
могат да се апроксимират с части от прави линии. Топава връзка-
||| между токовете и напреженията е линейна и транзисторът може
ц.| се представи като линеен активен четириполюсник.
Разглеждането на транзистора като линеен четириполюсник със
ьответните системи уравнения и четириполюсни параметри е мно-
|о удобно. Четириполюсните параметри са параметри на външни-
н- изводи — тяхното определяне и измерване може да стане само
чрез използуване на външните изводи на никое устройство, без да
• с интересуваме какво съдържа то. Това е т. нар. принцип на «чер-
ни га кутия».
Работата на четириполюсника се определи от взаимната връз-
кп между четири величини: входни и изходни токове и напрежения.
Ако се приемат две от тях за независими променливи, чрез система
Фиг. 6.2
\равнения се определят останалите две величини, конто са зависи-
мн променливи. Според това, кои от електрическите величини са
и 1Йрани за независими променливи, могат да се получат различ-
ии системи уравнения.
149
Твърде широко разпространение, особено при ниски честоти, •
намерила т. нар. h-система уравнения. При нея за независими при
менливи са избрани входният ток it и изходно напрежение u-i. Го
гава връзката на останалите две величини — входно напрежешк
и изходен ток, с независимите променливи се дава от следнпн
уравнения:
(6.1)
Wi = /inii H-/i12U2;
i> = /l2|il -\-h22U2,
където it, i2, u\, u-i са променливи величини.
В (6.1) коефициентите Лн, /i12, /121 и /z22 имат различии размер
ности и са известии като h-параметри (от hybrid — смесен). Смп
сълът на /г-параметрите може да се обясни по следния начни.
Ако в първото уравнение от системата се положи «2 = 0, т.е. аки
изходната верига е затворена или дадена накъсо за променливиы
съставка на тока, получава се параметърът h\\, който има размер
ноет нй съпротивление:
h[\=^~ — пълно входно съпротивление при късо съединешк
‘‘ «.'='> на изхода.
На фиг. 6.3а е показана схема на свързване, с която парами I.
рът hw може да бъде експериментално определен. Всички схеми и
измервания са за променлив ток.
Когато в първото уравнение на (6.1) се положи it=0. т.е. аки
Фиг. 6.3
се отвори входната верига по отношение на променливата съсгап
ка на тока, получава се параметърът /zi2:
Л12 = ^-
«2
— коефициент на обратна връзка по напрежение при
'=о отворен вход.
150
Начинът за определяне на hn е показан на фиг. 6.36.
Останалите два параметъра се нолучават, като се положи после-
ювателно във второто уравнение ы2 = 0 и 1( = 0:
/121 = — — коефициент на усилване по ток при късо съедине-
й «2=о ние на изхода (при схема ОБ: /12]г,= —а, а при схе-
ма ОЕ: /i2v = Р);
/122 =— — изходна проводимост при отворен вход.
U-2 1, = 1)
На фиг. 6.3 в,г са дадени начините за измерване на Иц и /г22.
При работа с високочестотни сигнали по-удобна за използ}ва-
не е т.нар. система у-параметри. При нея за независими променли-
IHI са избрани напреженията, а за зависими —токовете. По тази
причина параметрите имат измерения на проводимости и се нари-
чат параметри на проводимостта. Уравненията, конто определят
енстемата, са
(6.2) ii = y\\U\ + yt2U2,
12 — y-2\U\ -|- 1/22W2-
i/ параметрите се определят от следните отношения:
и' us=0
h
Ч\2 —-----
11'2 «, = 0
— входна проводимост при късо съединение на из-
хода;
— проводимост на обратного предаване при късо съ-
единение на входа.
I проводимост на правота предаване при късо съ-
единение, на изхоОа, нарича се още сгръмноет и се
бележи понякога с S;
//22 = — —изходна проводимост при късо съединение на
“2 «,=о входа.
Тъй като у-параметрите се определят в режим на късо съедине-
пие, понякога те се наричат още параметри на късо съединение.
За трите схеми на свързване ОЕ, ОБ и ОК входните и изходните
гокове и напрежения се отнасят за различии изводи на транзисто-
ра. Ето защо четириполюсните параметри имат различии стойности
ia всяка схема на свързване и се означават съответно с индекси
с, Ь, с.
В табл. 6.1 са дадени Л-параметрите на българския транзистор
I <1 б л и ц а 6.1
/с=< mA, t/C£==5 V ОБ OE OK
/in, а 26,4 5000 5000
/112 3,05.10”4 4.10-" 1
/121 — 0,99447 180 — 181
h-2-2, S(l/Q) 0,145.10“ 6 25.10-6 58.10"6
тип 2Т3163 за трите схеми на свързване при режим: /с=1 mA,
Uce=5 V (щом като /с и UCE са дадени с положителни стойности,
следва, че транзисторът е NPN).
Никои от й-параметрите представляват вече познати величини,
дефинирани при разглеждането на принципа на действие на трап
зистора.
Параметърът ftai се определи с отношението й2| =— Но за схе
й
ма ОБ i2 — &Jc, a ii = A/£. Следователно h2\b = —а. Знакът минус
означава, че посоките на входния и на изходния ток са противопо
Мг
ложни. Съответно за схема ОЕ: i2 — А1С и (| = Л/», т.е. h2te=-=
А/в
= В. И наистина от данните втаблицата се намира |3 = —-—=
1 —а
0,99447 , оо « , «
=——’о^9447~~= т.е. получи се стоиността за п2\е от таблицата
Параметърът йц се определи с отношението йц = — За схема
й
А(7£В
ОБ Ui = &UEB, i = /\IE, т.е. h\\b——-—= ге. В случая за/с = 1 mA
^Е
се получава
ге = °-02.6 Q Следователно йщ, може да се определи за про
• 'с
изволна работна точка по известната формула за ге. Чрез анало
гични разсъждения се стига до извода, че йце=(1 + Р) ге
<2
Ако се раздели h2t на йц, се получава—=— , т е ,
£г_ и, В2=(, -с- hi> У”
й
Параметри, конто се използуват твърде често за определяне на
качеството на транзистора като усилвател, са re, h2\e=fi, hiu и у2\
Всички те, с изключение на р, зависят повече от постоянния колек
торен ток и по-малко от колекторното напрежение.
Параметърът h2ie— (3 се дава в справочниците. Тогава остана
лите важни параметри могат да се определят с достатъчна за прак
тиката точност чрез следните зависимости:
Г , 0,0254-0,035 _ 0,03
«I it = Г(. --------да—2— ;
'с 1с
(6.3) Й||е= ( 1 -|-Й2|е) Йцб~"’у~^ i
'с
• 1с
Й21 ~—=——да 30/с.
Ге 0,03 С
Връзките между й- и у-параметрите, конто позволяват да се опре
152
дели едната система параметри, в случай че се знае другата, са
следните: ~ ____
1 h.. - 1
11 " | -
Лц Уч
А.2 У<2
712 12
Ан Уч
|/.| = /121 . h2\ = _ У21 .
Ан Уч
|/.2= АА hz2 — _ Лу
Au Уч
Д/г = h\ 1А22 — huh 12',
^У = УчУ22 — У2\У\2,
КЗ. ОПРЕД^ЛЯНЕ НА ПАРАМЕТРИТЕ НА ТРАНЗИСТОРИТЕ
<»Г СТАТИЧНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Параметрите на транзисторите за малки променливи сигнали мо-
|.п да се определят с приблизителна точност от статичните му ха-
рактеристики.
Иа фиг. 6.4 са дадени входна характеристика, изходни характе-
ристики и характеристика на правото предаване по ток.
Коефициентът на усилване по ток h2\e= Р може да се определи
иг изходните колекторни характеристики за определена работна
гочка по следния начин. През работната точка А се прекарва пра-
>1.1, успоредна на ординатната ос (уравнение на правата UCE =
const). За дадено изменение на базовия ток А/в от две съседни
характеристики се отчита съответствуващото изменение на колек-
|<>рния ток А/с. По аналогичен начин h.2\e може да се намери и от
характеристиката на правото предаване. Ако нелинейността е сил-
>10 изразена, параметърът се определи чрез построяване на харак-
u-ристичен триъгълник. Често в справочните материали, особено
i.i средномощни и мощни транзистори, конто обикновено работят
i но-големи токове, се дада т.нар. статичен коефициент на усилва-
нс по ток. Бележи се с ЬцЕ или р и се определя като отношение меж-
iy постоянния изходен и входен ток за работната точка:
I 1СА
1тпи = -—.
‘ВА
Поради закривяване на характеристиката на правото предаване
по ток за работни точки, съответствуващи на по-големи токове,
ьогфициентите Лгц и /ггге намаляват, като същевременно се увели-
чпва и разликата между тях.
Съпротивлението г* се определя, като от характеристиката /с —
К^се) за — const, на която е разположена работната точка А,
if отчетат измененията на UCE и /с.
Входното съпротивление /гце се определя от входната характе-
ристика за работна точка А". Тъй като по начало тази характерис-
п|ка има силно изразен нелинеен характер, построява се харак-
п'ристичен триъгълник върху тангентата, прекарана в работна
.153
точка От него се отчитат &.UBE и Л/й и се изчислява
Фиг. 6.4
Статичното входно съпротивление се определи като отношение
на постоянното входно напрежение към постоянния входен ток
Определените от статичните характеристики параметри са ва
лидни при ниски честоти, тъй като статичните характеристики не
154
отразяват честотните свойства. Нолучените резултати са прибли-
зителни поради неточности, характерни за графо-аналитичното
отчитане. Съществуват уреди, наречени характер иограф и,
върху екрана на конто се получават статичните характеристики в
известен мащаб. Това позволява директното отчитане на парамет-
рите за всеки транзистор.
6.4. ЗАВИСИМОСТ НА МАЛОСИГНАЛНИТЕ ПАРАМЕТРИ
НА ТРАНЗИСТОРИТЕ ОТ РАБОТНАТА ТОЧКА
Поради нелинейността на статичните характеристики параметри-
те на транзисторите зависят от положението на работната точка.
Обикновено в каталозите параметрите се дават за избран стан
дартен режим. За маломощна транзистори този режим е най-чес-
то /с = 1 mA и UCE=b V. В повечето справочници са дадени и за-
висимости на основните малосигнални параметри от избраната ра-
ботна точка. Тези зависимости позволяват намирането на пара-
метрите за режими, различии от типовите. Тук ще покажем това
щ най-използуваните в практиката Ае-параметри.
На фиг. 6.5 са дадени примерни зависимости на ^.-параметрите
на транзистор от колекторния ток при постоянно колекторно на-
прежение UCE=5 V. По ординатната ос параметрите са нанесени
в относителни единици спрямо стойностите, конто имат за типо-
вия режим.
От фиг. 6.5 се вижда, че колекторният ток влияе най-много на
параметрите ht\e и h22e. С неговото увеличаване входното съпротив-
ление hue намалява, а изходната проводимост hi2e расте. Параме-
гърът h]2e има минимум около стойността на типовия ток, a h2\t
Фиг 6.6
бавно нараства. При средномощните и мощните гранзисгори в
областта на по-големите токове се наблюдава максимум на tin?
(фиг. 6.6). След този максимум намалява. Това е свързано със
закривяването на статичната характеристика на правото преда-
ване и сгъстяването на статичните колекторни характеристики.
<АЛЧНА
и и к д’* а Г ЬК-А
, Тече » « '•*
X- _ - -- —
55
На фиг. 6.7 са дадени зависимостите на /i-параметрите на тран
зистор 2Т3107 от колекторното напрежение при постоянен колекто
рен ток 1С =2 mA. И тук те условно са изразени в относителни еди
ници. Параметрите h\le и hn? бавно нарастват с увеличаване на
напрежението, a fti2e и Нме намаляват.
Ще илюстрираме използу
ването на нормираните зависи-
мости на параметрите, дадени
на фиг. 6.7, с един пример. От
справочника за транзистор
2Т3107 е намерено, че за /с =
= 2 mA и UCE = 5 V входното
съпротивление е /гНе = 5.103 Q.
Да намерим h\\e за [7с£=20 V.
От графиката за йН(, при UCE =
— 20V: отчитаме ———= 1,18
т , AIle(5 V)
1огава за h.iie получаваме
= l,18./intf (5V)=l,18X5.103 =
= 5,9.103 й.
6.5. ДИНАМИЧНИ (ВТОРИЧНИ)
ПАРАМЕТРИ НА ТРАНЗИСТОРНО
УСИЛВАТЕЛНО СТЪПАЛО
6.5.1. Динамични параметри, изразени чрез четириполюсните
параметри
На фиг. 6.8 транзисторът е представен като четириполюсник в ди-
намичен режим.
Фиг. 6.8
Качествата на едно усилвателно стъпало се определят от след-
ните динамични параметри:
Входно съпротивление
(6.4) /?вх=^
и
Ят¥=0
156
Изходно съпротивление
(6.5) Ян,х=~
12
Динамичен коефициент на усилване по ток
(6.6) к,
1%
Коефициент
IZ _ U2
ки =—
ят¥=о.
Коефициент
(6.7) Кр
на усилване по напрежение
на усилване по мощност на четириполюсника
изх
1 вх
като изходната мощност РИЗА и входната Рв, се определят за сину-
соидни сигнали, както следва:
(6-8) Рнзх = Цеф/2еф = ^t/2m/2m* =-^=±-11,^ ;
2 2ат 2 г
(6-9) Рвк = цеф/1еф
2 2 /<их 2
Като се заместят (6.8) и (6.9) в (6.7), може да се напише
(6.10) *e = ^=KuK,= K,?—=/<;; —
*вх Рв* К
В табл. 6.2 са дадени формули за изчисление на основните ди-
намичните параметри чрез h- и //-параметрите Тези формули са
валидни и за трите схеми на свързване на транзистора.
Таблица 6.2
h У
Рвх ЫтЦ-h^y., У22 + Ут У22рУт Ку + УпУт
^нзх hw R< ДН \ h/-,R, 1 ~Fyi 1R1 У22-(-ЛуР,
Ри hn _ Aft + ftuiy, — У21 У 22+У,
Ki Л21 Ут h-^ + Ут У21 Ут Ку+УчУт
157
^h = h\\h22-h2\-h\2, ^У=У\\У22 — У\2У‘2\', Ут= —
Ат
Като се изнолзуват формулите от табл. 6.2 и данните за /г-нара
метрите при схема ОБ, ОЕ и ОК от табл. 6.1, могат да се изчислят
динамичните параметри за схеми на евързване ОЕ, ОБ и ОК- За да
се сравнят параметрите за .трите схеми на евързване, в табл. 6.3 са
дадени получените резултати. Те са валидни за /с = 1 mA и UCE =
= 5V, /?,= 1 kQ и /?С = Д = 5 kQ.
Таблица 6.3
Схема на включване Явх. Q ^ИЗХ ’ kQ Ки К, кР ПЪТИ кР <1В
ОЕ 5000 40 — 180 180 32400 90
ОБ 26 680 189 — 0,994 188 45,5
ок 900.103 27.10 3 0,994 -181 181 45
Изцислените чрез четириполюсните параметри стойности на
пълно потвърждават резултатите за трите схеми на евързване.
получени на основата на физичния принцип на действие на трап
зистора.
Динамичните параметри зависят значително от съпротивление-
то на възбудителния източник R, и от товарного съпротивление RT.
6.5.2. Опростени методи за пресмятане
на динамични параметри
Досега бяха разгледани въпроси за опростено пресмятане на па-
раметри на транзистора като усилвател. Това пресмятане е с из-
вестии приближения, но дава много бързи резултати и е много
удобно при практическа работа с транзисторни усилватели.
Тук ще бъде систематизирана методика за бързо пресмятане на
транзисторно усилвателно стъпало. По принцип винаги в трите
електрода е включено някакво еквивалентно съпротивление за
променлив ток. Ето защо ще използуваме еквивалентната усилва
телна схема, показана на фиг. 6.9. При нея емитерът и колекторъ,
през съответни резистори са захранени от отделяй токоизточници
Ес и Ее. Те могат да се създадат и от общ токоизточник чрез ст.
противителни делители (както е показано с прекъевана линия)
Схемата може да се използува като постояннотоков усилвател,
тъй като базата чрез резистора RB е евързана към нулевия потен
циал и директното евързване на източника на полезния сигнал п<
нарушава постояннотоковия баланс.
158
На фигурата са нанесени измененията на токовете и напреже-
нията, предизвиканн от подаденото напрежение ДЛ7|.
За променливия ток във входния контур на схемата се установи-
ла следното равенство на напреженията:
(6.11а) \U । = \lfjRf) ф- ДСф^ф- MeRf .
А/,-
Като се заместид/н =---•
₽
Л/£ = А/с и l\UBE —\1Еге, г
га колекторния ток се по-
|учава
(6.116)
м< =
AZ7,
, rb ’
A’j
кьдето rt
0,0264-0,035
---------------е
л!в
AUg^
-re
Фиг. 6.9
л\и‘
*E [E
/
я; [
V
Я I ‘
I
Y
£c
е I
•с.
( митерното съпротивление.
Коефициентът на усил-
иане по напрежение се по-
|учава, като се раздели
\ис=— MCR(: на Д6/>:
At/r
(Ь.12) К„ =—-=-----------
&U, re + Re + RB/fi
От горната формула, като се положи RB =0, се получава коефи-
пиентът на усилване по напрежение от базата до колектора:
(6.13) Ки =------
re + RE
Съпротивлението ге има малки стойности. Например при постоя-
нен колекторен ток 1 mA то е
/ = °-0ЭУ ^зо у.
110 3А
Твърде често в практически схеми RE^>re и се получава опросте
ката формула
(6 14) Ku=-—J
(6.15) за /?£=0, Ки=— — .
Ге
За коефициента на усилване по напрежение при схема ОК, ка-
|<> се използува приблизителното равенство 1\1Е^ —Ыс, се Полу-
нина
A-
Rc
<в.‘б) л;ок
Re
. rb
e fc ₽
Входного съпротивление се определи като отношение на вход-
ного напрежение Дt7i към входния ток Д/в. Като се замести ALA от
159
(6.11а), след прости преобразования и при допускането
— —Ыс се получава
(6.17) /^х=/?в + Р(ге+/?£).
За RB=0 се получава входното съпротивление на транзистора
(6.18) /?ВХ1р = Р(г£+/?£).
Вижда се, че емитерното съпротивление намалява усилването
на транзистора, но увеличава неговото входно съпротивление.
6.6. ПРЕХОДНИ ПРОЦЕСИ В ТРАНЗИСТОРИТЕ. ПОВЕДЕНИЕ
ПРИ ВИСОКИ ЧЕСТОТИ
Транзисторът е инертен прибор. Когато на входа му се подаде пра
воъгълен импулс, на изхода импулсът се получава с определени
изкривявания на формата. При работа на транзистора със сину
соидни сигнали при определени високи честоти усилването нама
лява.
6.6.1. Преходни процеси в транзисторите
Преходните процеси и свързаните с тях параметри са от много
важно значение за работата на транзистора в импулсни схеми
На фиг. 6.10 е дадена схема, в която към входа на транзистора
се подават периодично повтарящи се правоъгълни импулси. На
фиг. 6.11 са показани диаграмите на входния ток iB и на изходния
ток ic.
По предния фронт на отпушващия импулс в момента 0 започва
процес на включване на транзистора. През емитерния преход се
инжектират токоносители в базата и започва дифузното им движс
ние. След време td, наречено време на закъснение, най-бързиъ-
неосновни токоносители достигат колектора. Започва процес на
нарастване на тока. За време /, и най-бавниге неосновни iokohocii '
тели са достигнали колектора. Преходният процес на включване i
приключил. Времето tr се нарича време за нарастване на тока. То
ва време определя предния фронт на изходния импулс. Общотп
160
време на включване се определя като сума от времето на закъсне-
пне и времето на нарастване и се бележи с ton\
t„n = tr.
В момента /2 се прекратява отпушващият импулс от входната
верига. Колекторният ток обаче не може да се прекрати моментал-
UO, тъй като базата е наситена с неосновни токоносители, конто
постепенно се разсейват в колектора. Времетраенето на този про-
цес се нарича време на разсейване и се бележи с ts. След изтичане
ни това време се получава по-стръмен фронт на спадане на колек-
юрния ток и се оформя отрицателен фронт, аналогичен на фронта
на нарастване на тока. Общото време на изключване top е сума от
двете времена.
Съвременните планарно-епитаксиални транзистори имат много
малки времена на превключване. Така например при българския
Гщрзо превключващ транзистор тип 2Т3606 времето на включва-
не е 5 10 ns, а времето на изключване — 10—20 ns.
Бързодействието на транзисторите се оценява чрез максимал-
иата честота на импулсно напрежение, до която все още импулси-
ie се разграничават в изходната верига.
На фиг. 6.12 са показани диаграми на токовете за период на пов-
।прение на импулсите, съизмерим с времената на превключване на
। ранзисторите. Очевидно минималният период на полезния сигнал
трябва да бъде два пъти по-голям от сумата на времената на
включване и изключване, за да може транзисторът действително
la превключва при подаване на импулсното напрежение, т.е. Tj,,,,,
+ ИЛИ
Tnin 2(Сп + Сд)
I I Електронни и полупроводникови прибор!
161
6.6.2. Поведение на транзистора при работа
със синусоидни сигнали с високи честоти
Нека отново разгледаме структурата на транзистора за схема О1>
в динамичен режим — фиг. 6.13.
Приемаме, че напрежението е, поддържа неизменна амплитуда
на променливия ток в емитерната верига 1Ет независимо от често
тата. При ниски честоти в изходната верига се получава съответ
на амплитуда на колекторния ток ICm = ап1Ет. Тук се въвежда ин
деке нула, за да се отбележи, че коефициентът на предаване ио
ток е за ниски честоти.
Фш. 6.14
Получената форма и амплитуда на колекторния ток са показа
ни с крива / на диаграмите от фиг. 6.14.
При повишаване на честотата на входния сигнал неговият пе
риод намалява и когато стане съизмерим с времето на премина
ване на неосновните токоносители през базата, получава се раз
162
мсстване на синусоидата във времето (крива 2 на фиг. 6.14). И
наистина, ако си представим, че в началния момент 1 = 0 се включ-
ил напрежението е, във входа на транзистора, колекторният ток ще
се появи едва след като първите токоносители достигнат до колек-
горния преход, а това става за времето на закъснение td- В ре-
<ултат на това изходният
гок закъснява по фаза
гпрямо входния. Известна
е обаче връзката между
фазата и времето при пе-
риодични трептения: <р=
2nft или <р = ‘2л//7’. Сле-
ювателно на времето на
гакъснение td ще съответ-
сгвува фазов ъгъл <pd =
2nta/T. Когато 70
то <prf=0;
ако td/T = O, 1, то (р<г = 36°
и т.н.
Вторият ефект при ви-
тки честоти е намаляване
пл амплитудата на колек-
к>рния ток, респ. на кое-
фпциента на предаване
Фиг. 6.15
ио ток а.
Инертността на неосновните токоносители в базата не позволя-
ла колекторният ток при високи честоти да достига до върховите
Iгойности, характерни за по-ниски честоти.
На фиг. 6.15 са показани векторите на токовете /£, /с и 1В. При
писки честоти колекторният и базовият ток съвпадат по фаза с еми-
герния, съответно а.ц=1с/1Е и р0 = /с/7в. При определена висока
честота векторът на колекторния ток изостава на ъгъл <р« спрямо
/, и амплитудата му сравнително малко намалява или |а| = |/с|/
\l, I <<Хо.
Първият закон на Кирхоф в случая е валиден във векторен
вид—7в—1 е- Следователно, съединявайки върховеге на век-
।орите /с и IЕ, ще получим вектора 1 в. Оттук произхождат много
нажни следствия за честотните свойства на схема ОЕ. Съвсем оче-
ннлно поради значителното изместване по фаза на колекторния
кж се получава твърде голяма стойност за базовия ток, което оп-
ределя значително по-силно намаляване на коефициента на пре-
панане по ток при схема ОЕ — \1С |/\1В |.
0.6.3. Граничим честоти иа транзистора
Онисимостта иа коефициента иа предаване по ток от честотата за
< хема ОБ се описва с достатъчна точност посредством следния
"‘раз:
163
(6.19а)
И-Я/Г
От (6.19а) за модула на а и фазата се получава
(6.196) |сс|=-Фо = —arctg~,
/+(Л
където «о е коефициентът на предаване по ток за ниски место ш
fa граничната чести!а при схема ОБ;
f работната честота.
Като се положи f — fa в (6.196) <е получава 7. = а,,/ \/2- С друт и
думи, граничната честота fa е онази честота, при конто коефицп
ентът на предаване по ток при схема ОБ намалява \Г2 пъти спрями
нискочестотната си стойност.
Подобна е зависимостта и на коефициента на усилване по ink
при схема ОЕ от честотата:
(6.20) (3 =---, |JU ---,
VHFF
където /р е граничната честота на i ранзистора при схема ОЕ. При
такава работна честота |3 намалява /2 пъти спрямо нискочестш
ната си стойност.
Като се имат предвид онисаните физични явления в транзистор.!
при високи честоти и векторната диаграма на фиг. 6.15, става ясно
че граничната честота fp е много no-ниска от fa . Връзката между
тях се дава с израза
(6.21) /,Л .= фП t Ю/р,
кьдего коефициешы ij има сгоиносги от 1,22 до 2 за различит'
транзистори. Формула (6.21) показва, че граничната честота /р
е близо (3 пъти по-малка от fa
На фиг. 6.16 са показани примерни зависимости на коефицисн
тите а и р от честотата и са означени основните гранични чесп»
ти , fp и fpi. Граничната честота fp, е онази честота, при кояп<
р=1.
Зависимостта на (3 от честотата има една твърде характерна
особеност. В относително широк честотен обхват, разположен и
честотната облает между fp и /pi се изпълнява условието
(6.22) (3f = fT = const,
т.е. произведението на стойността на (3 с честотата, при която е и i
мерен този коефициент, е постоянна величина.
От (6.22) се вижда, че при повишаване на честотата два iii.ni
коефициентът на усилване спада два пъти (6с1В).
Честотата fT се нарича транзитна честота. Тя фигурира най-чесш
164
ii справочните давни за транзистори. Това се обяснява с две съще-
। гвени предимства: 1) когато се знаят честотата fT и (30> лесно може
та се намери стойността на (3 за производна честота в честотната
обдаст между f₽ и f₽i; 2) честотата fT лесно се измерва, тъй като
шва се свежда до измерване на [3 при фиксирана честота.
•^о1
Фиг. 6.16
Връзката между /7 и се дава с израза
/. = Ф-/т>
кьдето коефициентът ф има същите стойности както във формула
(6.21). Германиевите сплавни транзистори имат гранични честоти
/(1 до около 10—20 MHz (SFT 308).
С развитието на планарно-епитаксиалната технология за полу-
чаване на транзистори на силициева основа граничните честоти
рязко се повишиха. Самата технология позволява изработване на
равномерни PN преходи и получаванё на много тънки бази, при
което времето за преминаване на неоснов ните токоносители през
базата силно намалява.
В редица планарно-епитаксиални транзистори чрез създаване на
неравномерна концентрация на примесите в базата се получава
електрнческо поле, което допълнително ускорява движението на
пеосновните токоносители. По този начин повечето епитаксиални
транзистори имат транзитна честота fT над 200- 300 MHz.
Граничните честоти fa, и fT са основни честотни параметрй на
биполярните транзистори. Единствено с тях обаче не могат да се
опишат комплексните честотни свойства на едностъпален или мно-
н>стъпален усилвател.
Тук на помощ идват еквивалентните схеми на транзистора за
нисоки честоти. Най-често обаче анализът на транзисторните стъ-
иала в широка честотна облает се извършва посредством //-па-
раметрите, конто се дават в справочниците в комплексен вид (на-
пример //u = gn -ф/юСп).
165
6.7. ШУМОВИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ТРАНЗИСТОРИТЕ
Транзисторите, включени в усилвателни системи, генерират со(>
ствен шум. В изхода им едновременно с полезния сигнал се полу
чават хаотични трептения. Когато нивото на усилвания сигнал ста
не съизмеримо с това на шумовете, информацията се предава с го
леми смущения или изобщо не може да се различи. Собственно
шумове в елементите, конто съставят усилвателите, определи!
т.нар. реална чувствителност. Тя се определи като минимален поле
зен сигнал на входа, при който в изхода нивото на шумовете е 10
пъти (20 dB) по-ниско от нивото на полезния сигнал. За радио
приемници например реалната чувствителност е няколко десетки
микроволтове.
За повишаване на реалната чувствителност във входните ст к
пала се поставят специални транзистори, чиито собствени шумовг
са по-малки.
6.7.1. Видове шумове и техните характеристики
Според физичната същност шумовете в транзисторите биват то
плинни, дробови и шумове със спектрална плътност.
Топлинни шумове. Топлинните шумове се предизвикват от хао
тичното топлинно движение на токоносителите в обема на всеки
електропровеждащ материал с някакво съпротивление R. Топа
хаотично движение поражда еквивалентно напрежение, така че
всяко активно съпротивление може да бъде представено като гене
ратор на шум с определено е.д.н. и съответно вътрешно съпротип
ление (фиг. 6.17а). Честотният спектър на напрежението на шума г
равномерен, поради което мощността на шума, която ще се отдели
в едно активно съпротивление, се определи за фиксирана честотпа
лента.
Ефективната стойност на шумовото напрежение за топлинния
шум при транзисторите се определи от съпротивлението на базата
Изведена е следната формула, валидна за стайна температура
(6.23) ^ = 12frVrw-A/.IO ,2, V,
където А/ е честотната лента, в която се измерва шумът;
гьь.—съпротивлението на базата.
Изразът (6.23) показва, че транзистори с по-малко съпротивле
ние на базата са по-малошумящи. Шумовото напрежение зависи
и от пропусканата честотна лента. Така например шумовото нап
режение, измерено чрез избирателен волтметър, който има честот
на лента 9Hz, ще се получи три пъти по-голямо от шумовото на
прежение, измерено при честотна лента 1 Hz.
Дробов шум. Шумът в електронповакуумния диод в резултат на
флуктуациите на електронната емисия се нарича дробов шум. Той
166
има равномерен честотен снектьр както топлинния шум. Дробов
шум с аналогичен характер се поражда и при протичане на постоя-
нен ток през PN преход. Получава се допълнителна шумова със-
। 1вка на тока, чиято квадратична стойност може да се намери чрез
формулата:
(6-24) /^=2<?.(/л+2/л).Д/;
к вдето 1F е постоянният ток в права посока;
—обратният ток на нрехода;
ц заряд на електрона.
Протичайки през външен резистор R, този ток ще отдаде в него
шумова мощност
Шумове със спектрална плътност Докато тонлинният
и дробовият шум имат равномерен снектьр в широк честотен об-
хват, шумовете със спектрална плътност са в областта на звукови-
ie честоти. Те се определят главно от рскомбинационните процеси
и зависят от качеството на обработката на преходите. Честотната
облает, в която преобладават тези шумове, е различна за различ-
имте типове транзистори, като се измени в границите 1000 2000 Hz.
(>.7.2. Коефициент на шума
На фиг. 6.176 е дадена схема на транзисторно усилвателно стъ-
пало четириполюсник, в чийто вход е включен източник на по
лсзен сигнал ес с вътрешно съпротивление R, а в изхода - това
рен резистор R . Шумовото напрежение, генерирано от резистора
А’, се усилва и в товарния резистор се получава съответна шумова
мощност Рш. Едновременно с- това транзисторното усилвателно
стъпало генерира собствени шумове, в резултат на което мощност
га на шума в изходната верига е Р^> Рт. Отношението на пълната
мощност на шума в изхода на усилватели Р'ш към мощността Рш,
получена от усилването на шума, генериран във вътрешното съ-
противление на възбудителния източник, се определи като коефи-
циент на шума
167
(6.25)
Обикновено този коефициент се изразява в децибели, конто се hi
числяват с формулата
(6.26) ^ = 101g^, dB.
'in
Ако транзисторного стъпало е идеално и не генерира шум, r<j
Рш~Рш и Ли = । или OdB.
Коефициентът на шума се измерва обикновено с помощта на ка
либриран шумов генератор, който се включва на входа на трап
зистора. Изходната мощност на шума се измерва чрез избирателе и
усилвател с достатъчно тясна честотна лента на пропускане. По
лученият коефициент на шум се отнася за честотна лента 1 Hz и с<
нарича спектрален шум. Когато се използува шумов генератор i
широк честотен спектър, чрез изменения на честотата на избира
телния усилвател може да се определя коефициентът на шума за
различии честоти. На фиг. 6.18 е дадена типична за транзисторно
усилвателно стъпало зависимост на спектралния коефициент па
шума от честотата. В обхвата на ниските честоти шумът се измени
почти пропорционално на 1/f. След това от честота ft нагоре се по
лучава едно продължително плато, определено от топлинния и дро
бовия шум. За честоти, по-големи от /г, шумът отново нараства
Това се обяснява с намаляване на усилвателните качества на трап
зистора, при което собствените шумове в изхода преобладават зна
чително над шумовете от генераторного съпротивление във входа
При специалните нискошумящи транзистори, използувани в зву
ковата усилвателна техника, се дефинират т.нар. интегрален кое
фициент на шума. В този случай входната мощност се определя в
пропускана честотна лента от 50 Hz до 20 kHz. В специално коп
168
струирани малошумящи транзистори коефициентът на шума до-
стига до 0,2-1 dB.
6.8. ТЕХНОЛОГИЧНИ РАЗЛИКИ В ПАРАМЕТРИТЕ
НА ПРОИЗВЕЖДАНИТЕ ТРАНЗИСТОРИ. НАДЕЖДНОСТ
При изчислението на транзисторните схеми обикновено се използу
ват средните стойкости на параметрите, дадени в справочниците на
производителя. Поради голямата сложност в технологията на из-
готвяне параметрите на транзисторите от един и същи тип имат
значителни разлики за различните образца. Това затруднява пов-
торяемостта на качествените показатели на транзисторните схе
ми при масово производство и получаването на очакваните резул-
тати при единични разработки.
Установено е, че отклоненията от номиналните стойности за раз-
личайте параметри на даден тип транзистор са различии. Докато
за никои параметри те са 2—10%, за други може да се окажат от
порядъка на неколкостотин процента.
Най-малки отклонения се получават за параметрите у2\ и капа
цитета колектор — база. Обикновено тези отклонения са до 20%.
Отклоненията за входната проводимост могат да достигнат до
100%, а за разпределеното съпротивление на базата гьь, повече
от 300%.
Големи отклонения се получават и за параметъра h-ne- Това на
лага транзисторите да се разпределят по типове или на групи в за-
висимост от стойността на този параметър.
С непрекъснато усъвършенствуване на технологията значително
намаляват и отклоненията на параметрите на транзисторите от но-
миналните им стойности. Освен това е въведена практика произ
водителят да доставя транзистори с определени толеранси на па
раметрите според желанието на потребителя. За тази цел се из-
вършва необходимото сортиране на транзисторите още в процеса
на производството им.
Експернменталните изследвання доказват, че параметрите на
транзисторите се изменят с течение на времето. Това явление се на-
рича стареене и то е в тясна връзка с технологията. В последно
време се полагат големи усилия за стабилизиране на параметрите
на транзисторите и повишаване на тяхната надеждност.
Най-голямо изменение претърпяват параметрите на транзисто-
рите при работа (а не при съхранение) през първите 1000—1500 h.
Обикновено най-много се изменят обратният ток и коефициентът
на шума, конто могат да нараснат 2—3 пъти.
Широкото приложение на транзисторите в електронните устрой-
ства за автоматизация и контрол наложи създаването на специа-
лен клас транзистори, наречени професионални. Тези транзистори
се подлагат на допълнителни изпитвания и проверки. С тях се га-
169
рантира необходимата надеждна работа на отговорни професио
нални апаратури при определени климатични условия.
из под и
Въпроси и задачи
1. Напишете уравненията за h параметрите и опрсделете смисъла на всеки на
раметър.
2. Напишете уравненията за у параметрите и определете смисъла на всеки ii;i
раметър!
3. Изчислете за схемата, дадена с плътни линии на фиг. 6.19, при стоимости за
параметрите на транзистора (У))—/гц„ = /гц£ = 5М2; /г2|е = /г2|£ = 180;
25.10 ”5; Л|2е = 4.10 4, следните величини:
а) токът 1С и иапреженията Uc£, UB, U£\
6) входното съпротивление на схемата;
в) изходното съпротивление на схемата;
г) коефициентът на усилване по напрежение.
4. Какво представлява транзитната честота FT и защо се е утвьрдила като <><
новен параметър, характеризиращ честотните свойства на транзистора.
170
Фиг. 6.19
I Л А В А С Е Д М А
УНИПОЛЯРНЫ (ПОЛЕВИ) 1РАНЗИС1ОРИ
Действието на униполярните транзистори се основава на пренася-
не на основни токоносители, конто са от един и същи тип (или по-
ложителни, или отрицателни). Оттук произлиза наименование™
им униполярна (еднополярни). Тези транзистори се наричат още
нолеви, понеже изходният ток се управлява от електрическо по-
ле — използува се т. нар. полеви ефект. Тъй като проводимостта
се определи от широчината на провеждащ канал, те имат и друго
наименование — канални транзистори.
За разлика от биполярните транзистори, конто се управляват по
юк и имат малко входно съпротивление, униполярните транзистори
се управляват с напрежение и имат много голямо входно съпро-
сивление. Както ще видим по-нататък, характеристиките и свой
гтвата на полевия транзистор наподобяват тези на пентодната
лампа.
Според вида на структурата си униполярните транзистори се делят
па два основни типа: с управляващ PN преход и с изолиран гейт.
Структурата на транзисторите с изолиран гейт се състои от три
характерни слоя: метал — окис (диелектрик) — полупроводник.
Оттук произхожда съкратеното название МОП, МДП или MOS
(metal - oxyde — semiconductor).
171
7.1. ПОЛЕВИ ТРАНЗИСТОРИ С УПРАВЛЯВАЩ PN ПРЕХОД
7.1.1. Устройство и принцип на действие
Полевият ефект е бил описан още в 1928 г., но едва в 1948 г. Шокли
показал на практика, че е възможно да се създаде полеви трап
зистор.
На фиг. 7.1а е показана във вертикален надлъжен разрез прпп
ципната структура на полеви транзистор с управляващ PN ирг
ход. Върху изходна полупроводникова пластинка, в случая от N
тип, се създават чрез дифузия от двете страни Р области, така че < <
получават два PN прехода (те са условно очертани на фигурата г
правоъгълници). Двете Р области се свързват в общ извод, койн>
се нарича гейт на полевия транзистор. Долният извод от пластин
ката се нарича соре, а горният — дрейн. Очевидно при симетричп.1
структура, каквато е показана на фигурата, е безразлично коп
извод ще бъде дрейн и кой — соре.
Наименование™ на трите електрода произхожда от следит<
английски думи: за гейт — gate — врата, която затваря, стесняв.i
провеждащия канал, образуван между двата PN прехода; за дрен
на — drain — втичане на заряди, и за сорса — sours — източник
на заряди в началото на канала. В съветската литература теш
електроди се наричат съответно затвор, сток и исток.
В зависимост от типа на изходната пластинка полевите трап
знстори с управляващ преход бива N- и Р-канални. Изобразенша
на фиг. 7.1а структура е N-канална. Символичните означения на
двата вида транзистори са показани на фиг. 7.1 б.
Нека ключът К на фиг. 7.1а е отворен, така че външната верш а
на гейта е прекъсната. Защрихованата облает на структура!а
представлява зоната на PN прехода, силно обеднена на токоносп
тели. Следователно тази зона може да се разглежда като изолацп
онен слой. В резултат на приложеното външно напрежение между
дрейна D и сорса S в средната N облает се създава електрически
поле и във веригата протича ток, определен от специфичната про
водимост на N областта и геометричните й размери. В случая се он
разува канал с широчина Wo- Колкото тази широчина е по-малк.1
толкова съпротивлението на канала е по-голямо, т. е. толкова то
кът във веригата е по-малък.
Нека сега ключът К езатворен.с което към гейта се подава <н
рицателно напрежение спрямо сорса. Това напрежение поляри:ш
ра двата PN прехода в обратна посока и зоната, обеднена на спи
бодни токоносители, се разширява, както е показано на фигура! i
с прекъевана линия. Разширяването на областта на прехода е п<
симетрично. В горната част областта на обеднения слой е no-inn
рока поради получената по-голяма обратна поляризация на щм
хода от приложеното напрежение UDS. С разширяване на изолацп
онната облает се стеснява каналът и токът през дрейна намаляпп
172
Очевидно по подобие на триодната лампа посредством напреже-
пнето на гейта се управляла изходният дрейнов ток. Пронесите
обаче протичат в твърдото тяло и се основават на съвсем други
принципи
а)
Фиг. 7.1
6)
Една сьпоставка на принципа на действие на полевия транзис-
тор с биполярния дава възможност да се видят както характер-
пите различия, така и редица предимства на полевия транзистор.
При биполярния транзистор управлението на изходния ток се из-
пършва чрез право поляризиран PN (емитерен) преход, което оп-
редели относително голям входен ток. Изходният ток е почти про-
порционален на входния. Основното движение на токоносителите
е дифузно.
В полевия транзистор изходният ток се управлява чрез обратно
поляризиран PN преход. Това определи нищожно малък входен
гок. Полевият транзистор се управлява с напрежение. Токът се
определи от движението на частици само с една полярност (в слу-
чая само електрони) под действие на електрнческо поле, създадено
н твърдото тяло.
Описаната структура на полеви транзистори с PN преход не е
пригодна за масово производство поради технологичните неудоб-
ства, свързани със създаване на дифузни области от двете страни
па изходната пластина.
Ето защо на практика се използува планарна структура и техно-
173
логия с характернее й предимства. Устройство™ на такъв тран
зистор, изготвен по метода на двойната дифузия, е показано на
фиг. 7.2. В случая е даден транзистор с Р канал. Захранващите на-
прежения са с полярност, обратна на тези при N канал, а в услов
ното означение на транзистора
стрелката на гейта е в обратна
посока (фиг. 7.16). Транзисто-
рът освен от гейта Gi може да
се управлява и от подложката,
която действува като втори
гейт. При подаване на положи-
телно напрежение към G2 се
разширява PN преходът, обра-
зуван между подложката и
средната облает, като се ре-
гулира широчината на провеж-
дащия канал между дрейна и
сорса. При някои транзистори
G2 е вътрешно евързан в корпу-
са със сорса, при други е изведен като независим външен извод.
Във втория случай се получава възможност за независимо управ-
ление на тока от двата гейта и четириелектродният транзистор мо-
же да изпълнява редица специални функции.
7.1.2. Статични характеристики и параметри
На фиг. 7.3а е показана характеристика на право предаване на N
канален полеви транзистор с PN преход — =f((/6S)pns=t.OIlst Та-
зи характеристика се определя от разгледания принцип на работа
на N-каналния транзистор от фиг. 7.1а. Наистина при Uas = 0
каналът е максимално ши-
рок и протичащият ток
IDSS има голяма стойност.
С увеличаване на отрица-
телното напрежение на
гейта каналът се стеснява
и токът намалява. При
Uos = Ur каналът се зат-
варя и токът се прекратя-
ва. Напрежението UT се
нарича прагово напреже-
ние и е важен параметър
за полевите транзистори.
На фиг. 7.36 са показани изходните статични характеристики
/a=f(T,ps)t/0S=const • При 7/os=0 гейтът, респ. двете Р области от
структурата на фиг. 7.1, са евързани накъсо и имат нулевия по-
тенциал на сорса. Когато напрежението UDS е нула, и токът през
174
дрейна е нуля. С постепенного увеличаване на UDS до т. В от ха-
рактеристиката токът /0 се измени почти линейно в зависимост от
Uds
От т. В обаче нататък положителното напрежение на дрейна за-
почва да влияе върху PN преходите в горната част на канала, като
ги поляризира допълнително в обратна посока. Това води до стес-
няване на канала с всяко следващо повишаване на напрежението
на дрейна и нарастване на съпротивлението — линейният ход на
характеристиката се нарушава. В т. А каналът почти се затваря.
По-нататъшното увеличаване на дрейновото напрежение пре-
дизвиква много чувствително увеличаване на съпротивлението на
канала и дрейновият ток се измени съвсем слабо (достига стой-
ност на насищане).
Когато се подаде отрицателно напрежение на гейта, това напре-
жение пряко разширява PN преходите и намалява дебелината на
провеждащия канал, респ. тока през него. Ето защо статичните
характеристики с увеличаване на отрицателното напрежение на
гейта постепенно се доближават до абсцисната ос. При Uos = Ur
гранзисторът се запушва.
Началната облает на изходните характеристики —f(Uos)’ в ко-
нто дрейновият ток стръмно расте с увеличаване на UDS, по анало-
гия с характеристиките на триодната лампа се нарича триодна об-
лает. Областта на насищане на дрейновия ток се нарича пентодна
облает.
При полевите транзистори с Р канал средната облает е тип Р, а
страничните — тип N. Полярностите на захранващите напре-
жения и посоките на токовете са обратни. Статичните характерис
гики на полевн транзистор с Р канал са показани на фиг.7.4. Тук
гранзисторът работи с положителни напрежения на гейта и отри-
цателни на дрейна.
За триоден режим е изведена следната зависимост на тока и
напрежението между електродите:
Този израз е твърде показателен: токът ID е линейна функция на
напрежението UDS и се управлява линейно чрез ?765.Това дава ос-
нование полевите транзистори в триоден режим да намерят широко
приложение като управляеми съпротивления
175
В пен годен режим за полевите транзистори с управляват преход
се използува следната аналитична апроксимация на характеристи
ката на предаване:
(7.2) lD=IDSS (1—
Up
като п се измени в граници 1,6- 2,5. Най-често п= 2,което опре
деля квадратичната зависимост на тока 4 от напрежението на
гейта.
От (7.2) се вижда, че при UGS =0, 4> =/nss. Този ток е показан
на фиг. 7.3 и 7.4. Стръмността на характеристиката на право пре
даване на полевите транзистори се определи от отношението
Л/р
AP0S i/DS=const
Тъй като характеристиката не е права линия, стръмността е функ
ция на работната точка, за която се определи. В триоден режим тя
може да се определи по следната формула:
(7.3) 5 = 5,,-^-.
Up
О 2lt>SS J, ,,
където 5и =------- е стръмността за Uos =0.
За пентоден |>ежим е валидна приблизителната формула
(7.4) S=S(1 (1—•
\ Up /
Освен параметрите UT, So, /Dss полевите транзистори се харак
теризират още със следните параметри: максимален ток /Оп|1,
входно съпротивление /?м, входен ток при определен режим, мс
ждуелектродни капацитети CDS, Соо, Ccs, максимална работа,i
честота fn)ax, шумови параметри и др.
7.2. MOS ТРАНЗИСТОРИ
Както бе споменато, структурата на MOS (МОП) транзисторно
се състои от 3 основни слоя — метал, окис (изолатор), полупро
водник, откъдето произхожда и наименованието им. Доколкото
гейтът представлява метална новърхност, изолирана с окиса oi
полупроводника, често се наричат полеви транзистори с изолиран
гейт.
Съществуват два основни разновидности MOS транзистори <
индуциран канал и с вграден (собствен) канал. Всяка разновпд
ноет може да се реализира с канал тип N или канал тип Р.
7.2.1. MOS транзистор с индуциран Р канал
Устройство™ на MOS транзистор с индуциран Р канал е показано
на фиг. 7.5. Върху високоомна N~ подложка чрез дифузия са см
176
дадени нискоомни области Р+ за сорса и дрейна. След това е на-
несен изолиращият окисен слой от SiC>2- В него са образувани два
отвора, от конто са изведени изводи за сорса и дрейна. Върху S1O2
е нанесен слой от метал, най-често алуминнй, който представля-
ва третият извод — гейтът.
510г
Фиг 7.5
На фиг. 7.6а, б, в са показани символичните означения на по-
леви транзистор с индуциран Р канал: а) подложката (базата)
не е изведена; б) подложката е изведена с външен извод; в) под-
ложката е съединена вътрешно със сорса.
Принципът на действие на MOS транзистора с индуциран Р ка-
нал се основава на създаване на инверсен слой от подвижни дуп-
ки в N областта на границата с диелектричния слой. Инверсният
слой се получава, когато на гейта се подаде достатъчно отрица-
гелно напрежение спрямо подложката или дрейна. Тогава в из-
вънредно тънкия диелектричен слой (0,1—0,2 ргп) се създава сил-
но електрическо поле, което разкъсва ковалентни връзки на собст-
вени атоми от повърхностния слой на подложката. Свободните
токоносители (дупките) се разполагат на границата с диелек-
тричния слой, а свободните електрони се отблъскват от полето към
дъното на подложката. По такъв начин в повърхностния слой се
оформя (индуктира) провеждащ канал от подвижни токоносите-
ли (дупки), изолиран от останалата част на подложката с облает,
обеднена на токоносители. Понеже каналът е създаден от токо
6}
носители с противоположен по знак заряд в сравнение с токоно-.
сителите от примесните атоми на подложката, слоят се нарича
инверсен.
Когато се подаде отрицателно напрежение на дрейна спрямо
12 Електронни и полупроводникови прибори
< АИЧНА
( Г If К * ’ t > Г ч
177
сорса, във веригата дрейн — соре протича електрически ток. Кол
кото е по-голямо отрицателното напрежение на гейта, толкова
провеждащият канал става по-широк,неговата проводимост на-
раства и токът през дрейна се увеличава. По този начин гейтът
аналогично на решетката в триелектродната лампа управлява
тока в изходната верига. Ток през гейта не протича, тъй като той
е електрически изолиран от подложката с диелектричния слой oi
SiOa- Следователно MOS транзисторът е прибор, който се управ
лява от входа по напрежение.
Статични характеристики. Връзките между токовете и наире
женията в MOS транзистора се дават с две семейства характерис-
тики: ln =f Шоч , и 1П —f (Uns. Те са показани на
фиг. 7.76, в.
Нека разгледаме по-подробно характеристиката на правого
предаване lD=f (UGS), например за UDS — — 10 V, и св ьрзаните
с това процеси в структурата на транзистора, показана в три със-
тояния на фиг. 7.8.
При UDS = — 10 V и UGS =0 (фиг. 7.8а) в подложката има мал
ка концентрация на свободни електрони (облает N ). Независи
мо от наличието на свободни електрони ток във веригата дрейн
соре не протича, тъй като полето на PN прехода, образуван межд\
Р+ областта на сорса и №-подложката, възпрепятствува тяхно-
то преминаване към сорса.
Когато отрицателното напрежение на гейта превиши прагова
та стойност 5 V (|HCS|> UT — 5 V), силният интензитет на елек-
трическото поле създава инверсен слой от дупки между дрейна и
сорса, така ка.кто е показано на фиг. 7.86. Във веригата дрейн —
соре протича ток. Колкото е по отрицателно напрежението на гей
та, толкова е по-голяма широчината на провеждащия канал, респ.
токът във веригата.
Изходната (дрейновата) характеристика на транзистора за
UGS= —10 V е показана па фиг. 7.7в. При UDS=0 липсва елек
178
||>одвижещо напрежение, което да приведе в дрейфово движение
нободните дупки от инверсная слой, и токът през дрейна е нула.
( постепенного нарастване на отрицателното дрейново напреже-
пие все по-голям брой дупки за единица време достигат до отри-
+| Подвижен заряд
® (Диксиран заряд
цагелния полюс на захранващия източник и дреиновия! гок pacie.
|ози процес продължава, докато дрейновото напрежение се из
равни с праговото напрежение— I Uus | = | UT | — т. А от харак-
цристиката на фиг. 7.7в. Тогава напрежението между електрода
па гейта в горния му край (фиг. 7.8а) и Р+ областта на дрейна
ггава нула и електрическото поле в този край на N областта на-
малява. Това причинява съответно стесняване на канала. С по-
пататъшно увеличаване на UDS провеждащият канал се стеснява
нее повече, с което проводимостта му намалява и токът се запазва
почти неизменен.
Полевите транзистори с изолиран гейт поради редица техно-
(огични удобства са основен елемент в цифровите интеграл ни
схеми.
179
7.2.2. MOS транзистор с вграден N канал
При тях каналът е предварително създаден по технологичен iit.i
Конструкция на такъв транзистор е показана на фиг. 7.9а. Изпол
зувана е високоомна подложка Р~. Между N+ областите на сор
Фш. 7.9
са и дрейна чрез дифузия е създадена N облает с междинно сне
цифично съпротивление. Тя представлява вграденият канал.
На фиг. 7.10 са показани статичните характеристики на трап
зистора. Нека да разгледаме изходните характеристики при поло
жение, че на дрейна е подадено положително напрежение, при
мерно UDS = 10 V. С нарастване на отрицателното напрежение ни
гейта електроните от канала се отблъекват към вътрешността и i
полупроводника и областта N (каналът) обеднява на електрони
Каналът между дрейна D и сорса S се стеснява и токът намаля
ва. При определено напрежение на гейта UT, наречено прогони
или напрежение на запушване, провеждащият канал напълно с<
затваря поради разширяващата се обеднена зона и във верига г i
180
пристава да протича ток (по-точно, той придобива нищожно мал-
ки стойност). Този режим на работа се нарича режим на обедня-
ете. Ако се подаде положително напрежение на гейта, N слоят
обогатява на свободни електрони и токът на дрейна нараства.
1<ии режим на работа се нарича режим на обогатяване.
1а пентодната облает са валидни следните приблизителни фор
ули за тока /й и стръмността S:
(7.5) /D = p (^2 Ut?
(1 б) S = p {Uos —UT),
ндето UT е праговото напрежение на гейта, при което транзисто-
ры се запушва, ар— определена константа.
В табл. 7.1 са показани условните графични означения на раз-
шчните типове транзистори, полярностите на напреженията и то
нонете и съответствувагцата характеристика на право предаване.
7айшца7.1
СипрабляЬащ PN преход канал D СупраМшщ PH преход канал N MOS индуциран P канал mos индуциран N канал mos вграден N канал
СГЪЛ1> 3 6 iV D /•7^ D
UpS>0 UDi <0 UD5>0 Ups >0
1р<0 Ij) >0 Ip <o Ip>0 Ip>0
и65>0 ^5<0 "6s«> U65X> Ues^.0
\1р -tys Ip -^65 Ip Id +’Jas la -HiS
181
7.3. ЕКВИВАЛЕНТНИ СХЕМИ НА ПОЛЕВИТЕ ТРАНЗИСТОРИ
Опростената еквивалентна схема на полевия транзистор, вали in
за малки сигнали, е показана на фиг. 7.11. Елементите, изпол о
вани в тази еквивалентна схема, имат следното значение.
Съпротивление RGS (входно съпротивление за ниска частота). Ирк
полеви транзистори с PN преход то се определи от наклона и
волт-амперната характеристика на обратно поляризирания пр<
ход и има стойности 10й 1012 Q. При MOS транзисторите вм>
ното съпротивление се определи от утечни токове и има онщ и<
големи стойности (до IO16 Q).
Капацитет CGS. Това е капацитетът на обратно иоляризиранпп
PN преход при полевите транзистори, съответно капацитети и
структурата метал — окис полупроводник при MOS трап пн
торите. Има стойност няколко пикофарада, като при никои обра
ци MOS транзистори е под 1 pF.
Капацитет Ссо. Определи вътрешната капацитивна врык
между изходната и входната верига. Има стойности от 0,2 до Н> р
в зависимост от типа на транзистора.
Генератор на ток SUcs. Отразява активните свойства на тр.ш
зистора. Стръмността при ниски честоти е основният парами! I.
на полевите транзистори (вж. т. 7.1 и 7.2)
При високи честоти стръмността става комплексна величин
и може да се изрази със следната формула:
I
(7.7) S = —-------,
V I + if/Is
където fs е граничната честота на стръмността. При тази чесни
модулът на стръмността намалява \/2 пъти спрямо честотите hi
конто f/fs < 1.
Модулът на S, определен от (7.7),дава амнлигудно-чссто111.п
характеристика, а фазата фазово-честотната характерна ив
ФИ1
на нараметъра. В съвременннге полеви транзистори благодарен!
на малката дължина на канала са постигнати честоти Is > 10 (ill
поради което честотните свойства се определят предам но от ме
дуелектродни и паразитнн капацитети.
182
Съпротивление Rbs. Определи се от диференциалното съпро-
।явление на канала и има големи стойности Свързано е с накло
на на статичните изходни характеристики в пентодната облает.
Капацитет CDS. Това е изходният капацитет на транзистора.
Фиг. 7.12
Освен с разыеданага физически еквивалентна схема иолсыпс
транзистори се представят и с формалните еквивалентни схеми,
свьрзани с у-, z- или /i-параметрите на линейния четириполюсник.
Най-удобна за използуване, особено при високи честоти, се оказва
еквивалентната схема, евързана с //-параметрите — фиг. 7.12. За
входната и изходната верига на тази схема могат да се запишат из-
вестните връзки между входните и изходните токове и напреже-
иия с четириполюсните //-параметри:
(7.8) Т1=//и и, —|—1/12 ti2\
(7.9) 1т = У'>\ и\-\-у‘>-> и->.
Всички //-параметри зависят от установения постояннотоков
режим в транзистора и позволяват изеледване на усилвателните
му свойства в широка честотна облает
7.4. СХЕМИ ЗА ЗАХРАНВАНЕ ПО ПОСТОЯНЕН ТОК.
ДИНАМИЧЕН РЕЖИМ
В зависимост от типа на полевия транзистор съгласно габл. 7.1
е необходимо да се подадат захранващи напрежения, осигурява-
ши подходяща работна точка. При това трябва да се имат пред-
нид различията в основните параметри на транзистори от един и
еъщи тип и изменснията, конто ще настъпят при смяна на тран-
шетор. Така например за транзистор 2N381 Inss варира от 3 до
12 mA, a UT — от 2 до 5 V.
На фиг 7.13а е показана схема за захранване на полеви тран-
шетор с управляващ PN преход с Р канал, а на фиг. 7.136 — две
крайни характеристики на право предаване за съответния тип
транзистор. Тъй като гейтът е захрансн с генератор на напреже
иие, т. е. Eo=const, като се прекара перпендикулярна права за
Hcs=£(i, се получават работайте точки А и В.
На фиг. 7.14а е показана схема с автоматично преднапрежение
183
на гейта. Работните точки се получават от пресичане на товарна
та права за входната верига с характеристиките на право преда-
ване (фиг. 7.146).
Захранването, показано на фиг. 7.15, е комбинирано. Очевидно
последната схема най-добре осигурява стабилен ток при използу
ване на транзистори с различии характеристики.
На фиг. 7.16а е дадена схема на свързване с общ соре и отри-
цателна обратна връзка, осъществена чрез резистора /?5.
Работната точка се задава чрез подаване на положително на
прежение на сорса спрямо маса Us=———• /?s. При това по-
Rl +
ложение напрежението на гейта спрямо сорса е отрицателно, тъй
като по постоянен ток гейтът през източника е евързан към ма
са: Uqs~ Us-
На фиг. 7.166 е показан опростеният вариант на същата схема,
валидна за променливо напрежение или по-общо казано, за из-
менения на сигналите около работната точка.
За входния контур според втория закон на Кирхоф може да се
напише:
(7.10) be> = MJGS + Ms Rs.
Като се зн’ае, че MS=&ID; &UGS=—^~, от (7.10) се получава
184
(7.11) Д/5=Д/0 =—S---------Де,,
' s D 14-S7?s
S c
където -------— \„h e динамичната стръмност на транзистора.
14-S/?s
loi-ава напрежението на сорса е ДТ'Л = Д/5 /?5, откъдето за коефи
Фиг. 7.16
шиита на усилване ио напрежение при вземане на изходния ши
пая от сорса (схема сорсов повторител) се получава
1'12)
Ки.
Де,
l+S/?s
Лко SRS^>1, то Kus — 1. Схемата повтаря напрежението. На-
ирежението в дрейна е Д7/с = — Д/п RD или за коефициента на
< нлване при вземане на изходното напрежение от дрейна (схе
мл общ соре) се получава формулата
(/ 13)
Лко Rs — О,
Н илването е
Де,
srd
l+SRs
схемата работи без отрицателна обратна връзка и
14) KU=—SRD.
Усилвателните схеми с полеви транзистори се анализират по-
|рецизно, като се използува еквивалентната схема от фиг. 7.11
и 'in четириполюсните параметри. Тези методи позволяват да се
прсцени работата на транзистора в широка честотна облает.
185
ВЗВОДh
Укнпилярник IportdUl lopli llpiihAMidl pUtlllJ • . .Kill
uo к'.in наподобие . еле к ipoiii u i. .. >...., mu.
-жс-нис. i"' .-.I. ГОИ ROUTH иипсва, «.Ud.iiHiri
*арак о.ристики i.i iHoJioiH'iiiH h:> гези на пен го ; к.{
лампа
! kwi. tni <. г р. 11 i. । i •[". им.. । ..и; i o.i я >i< > в mj .. i.и J
!.. i. . приложении в ’ . н|
.ч CTTii.i.i. i up i ii . mi pi : in на малки токове н < .и трюк с|
.lap.i n '.силе* ня cuina.ii: от капашггавни ijthiu и
,11) С шли ik. л . . ьвършенс! в\ ване на те хноло) .>•«'
о1к июни1 и и< a i полевите транзистори ст и
I I । ..fl I бнпалярнигс транзисюрн Г<)|
I' к । . Ноам.ляп ... нац. u.iia на yn тн. кч
‘ !" I< i .• Г ipdH.JIK lopli, I tliUJ Vbdllli кию Ulij.l'Hlf
>';uU'. । 1>рс1-ключване на слаби ситали) >мат р> 4
о 1,м. |.<а пр ’> КЛ1 > льни । .• менти с 6i...nipl
.> i.i i.ropn Изходниге xapai. юрис тки и i. . > и
р . । hi. ic-.pn преминава! ир< . . . > iut.i н nuup i.. i.nd
I.IH-’.'.I .. С ьнротивлени.' Illi ' 1 :i\Illi Hl. II Ip? 11 <1 H
чч; 1 МИЛКИ СI иЙПОСТ 1
,'At)S транзисгорик са основе н с.н мин । г 1 }>J>' uni
. HieipaJiHii схеми. коию заемат основен дял oi Си :р< ч((
нага сикрослектроника
Въпроси и задачи
1 . Начертайте структурата на иолеви транзистор с управляващ PN преход и и
кажете как трябва да се свържат източниците на постоянно напрежение. ()<»н
нете принципа на действие.
2 Направете същото както в т. 1, но за MOS транзистор с индуциран Р k.tii.i i
3 . Определете графо-аналитично сгръмността на транзистора за режим UD$~ 10 '
и i/C5=0V от дрейновите характеристики на фиг. 7.10.
4 Изчислете коефициентите на усилване по напрежение за схема сорсов пони
рител и схема общ соре (фиг. 7.166) при /?s = 1 kQ, RD — 10 kQ и S=1 mA V
ГЛАВА ОСМА
JJPJir, HOJU ИРОВОДНИкСВИ ПРИБОРИ
8.1. ТИРИСТОРИ
Тиристорите представляват полупроводникови прибори с три и ш
повече PN прехода, чиито волт-амперни характеристики прии
1«б
жават учасгъцц с oipiiiiaic.ino диференциално сьнрогивленне.
Използуват се за превключване на електрически вериги и заемат
важно място в силовата преобразувателна електроника. Тук са
разгледани трите основни представители на тази трупа полу-
проводникови прибори: динистор (диоден тиристор); триелектро-
ден тиристор (тринистор) и симетричен тиристор (триак). В прак-
тиката са популярни названията динистор, тиристор (за триелек-
троден тиристор) и триак.
8.1.1. Устройство и принцип на действие на динистора
Динисторът представлява черислоен диод, чиято структура е по-
казана на фиг. 8.1 а. От крайната облает Р( е изведен анодът, а от
областта N2 катодът. Цялата структура може да се разглежда
като съставена от два транзистора: първият е PiN|P2, а вторият
\iP_-N? (фиг. 8.1 б). Областите Pi и N» са емитери. а областите
и Р2 - бази. Преходите /, — Р। N,, и /3 — P2N2, се наричат емитер-
ни, а преходът /2 — N|P2 — колекторен.
При отрицателно анодно напрежение двата крайни прехода р
и /з са поляризирани в обратна посока и динисторът се отнася
като обикновен диод, на който е подадено обратно напрежение.
Интересни явлепи'' развиват обачс при подаване на положител-
а)
Фш. 8.1
ин анодни напрежения, коню об)славя 1 своеобразния вид на вол1
амперната характеристика в права посока (фиг. 8.2). При положи-
гелни анодни напрежения почти цялото приложено напрежение
пада върху централния преход /•_>. тъй като той е обратно
187
поляризиран и има много голямо съпротивление. Същевременно
преходите /| и /3 са поляризирани в права посока. Това пред-
извиква инжекция на дупки в областта Ni и на електрони в об-
ластта Р2. Развиват се процеси, аналогични на процесите, конто
бяха разгледани при биполярния транзистор. Инжектираните не
равновесии токоносители чрез дифузия достигат до колекторния
преход /2 и преминават през него, тъй като електрическото поле
в него е ускоряващо за тях. Общият ток през колекторния пре
ход /г ще се определи от топлинния ток на прехода /со и сума-
та от токовете на двата емитерни прехода:
(8.1) /2 = а|/|+<хз./з-|-/со>
където «I и аз са съответните коефициенти на предаване на еми-
терните токове.
Поради големия интензитет на електическото поле в колек-
торния преход се получава ударна йонизация, която увеличава М
пъти токоносителите в прехода j2, а оттам и тока през него:
/2 = M.(ai/i = аз./з -Т 1СО).
М се нарича коефициент на умножение н> токоносителите в
прехода при ударна йонизация.
Тъй като трите прехода са свързани последователно, следва,
че токът през тях ще бъде един и същи, т.е. l^ = l2 = IA = lK.
След заместване в (8.1) на /2 и /з с /А за тока във външ-
ната верига се получава
(8.2) /А =-------------
1 — М(а, +«з)
При повишаване на положителното външно напрежение в пре
ходите протича следният процес. Увеличава се коефициентът на
188
ударната йонизация М поради увеличения интензитет на полето.
Това предизвиква пораждане на нови електрони и дупки в колек-
торния преход, което увеличава тока през него. Увеличаването
на тока в колекторния преход предизвиква съответно нарастване
на токовете и през останалите
преходи, тъй като токът във ве-
ригата е един и същ. Поради съ-
ществуващата зависимост на а
от емитерния ток (фиг. 8.3) уве-
личението на тока увеличава ои
и аз, а следователно и токът през
колекторния преход и т. н. Разви-
ва се лавинообразен процес, в
резултат на който колекторният
преход се насища до такава сте-
пей със свободни токоносители,
че престава да оказва съпроти-
вление на тока. Приборът се
включва в права посока скокообразно, съпротивлението анод -
катод става извънредно малко, практически то представлява късо
съединение.
Лавинообразният процес на отпушване на динистора е свър-
зан с изпълнение на условието
(8.3) 1-М(а1 + а3) = 0,
според което съгласно (8.2) токът през динистора може да нарас-
не до безкрайност. Стойността му обаче се ограничава от съпро-
тивлението на резистора /?а, включен в анодната верига.
Волт-амперната характеристика на динистора е представена на
фиг. 8.2. При обратна посока на включване (б'А <0) тази характе-
ристика по нищо не се различава от аналогичната характеристика
па полупроводников диод. Характеристиката в права посока
(t/A> 0) се състои от три участъка. Първият участък е от т. 0 до
г. А. Анодният ток тук се нарича ток на утечка /D и има много
малки стойности. Динисторната структура до т. А се отнася като
диод, включен в обратна посока. В т. А започва описаният лавино-
образен процес и наирежителният пад анод — катод рязко намаля-
на. Този участък се отличава с отрицателно диференциално съпро-
гивление. Токът /(ВО) се нарича ток на включване.
От т. В нагоре характеристиката на динистора не се различава
<>т тази на обикновен диод, включен в права посока. Изключването
па прибора е възможно само ако се намали анодният ток под
точно определена стойност, наречена ток на удържане /н (то-
кът, съответствуващ на т. Н на волт-амперната характеристика).
N.I.2. Устройство и принцип на действие на тиристора
Гиристорът представлява четирислойна структура с три извода.
189
Тя е показана на фиг. 8.4 а. Както се вижда, тиристорната структу
ра принципно по нищо не се отличава от тази на динистора.
Единствената разлика е в наличието на допълнителен електрод,
изведен от областта Р>. Нарича се управляващ електрод или ре-
шетка G, а преход ит /3 — управлшшщ преход. На фиг. 8.4 б е пока
зано условного означение на тиристора.
Очевидно, ако не се използува управляващият електрод, по ха
рактеристики и свойства тиристорът по нищо няма да се отличава
от динистора.
Нека на управляващия преход /3 създадем нрава поляризация oi
източника Ео през резистора Rc, както е показано на фиг. 8.4а
Гогава през управляващия преход протича ток /0. Както се вижда
от фиг. 8.3, коефициентът на усилване по ток се увеличава с на
растване на тока през прехода. Следователно, когато токът на
расне до определена стойност, условие (8.3) за преминаване на
190
структурата във включено състояние се изпълнява и при анодни
напрежения, по-ниски от ЦВ0) При това колкото е по-голям
управляващият ток, при толкова по-ниски анодни напрежения
става преминаването във включено състояние.
Статичните волт-амперни характеристики на тиристора 1Д =
^^)/G=Const’ показани на фиг. 8.5, потвърждават тези разсъж-
'|.ения.
Управлението на тиристора е еднопосочно: чрез управляващия
електрод се извършва само процесът на включване. Веднъж вклю-
чен, тиристорът може да премине в изключено състояние само при
условие, че анодннят ток се намали под стойността на тока на
11'>т>ржане 1ц
К. 1.3. Конструкция и технология на изготвяне
Мпогослойните тиристорни структури се изготвят най-често чрез
ппследователни дифузии върху изходна монокристална пластина
oi силиций. Използува се също така и методът на сплавяване. Осо-
йспо перспективни са методите на епитаксиално нарастване на
лоеве.
На фиг. 8.6 е показана вертикална геометрия на тиристорна
фуктура ст. нар. шунтиране на емитерния (управляващ) преход.
Вьрху изходна пластина от N тип с дебелина около 0,25 mm се пра-
н|| двустранна дифузия на акцептор ни примеси (бор, галий или
ыуминий) на дълбочина 100—120 ргп и се създава PiN|P2 струк-
। урата.
1'митерната облает N2 се създава или чрез сплавяване на донор-
иц примеси (олово със злато),или чрез едностранна дифузия, като
пратната страна се защитава със слой от SiO2.
Както се вижда от фиг. 8.6, емитерът е създаден от няколко об
к ги, между конто съществуват шунтиращи участъци на облает -
। По този начин се постига по-голяма зависимост на сумарния
кпефициент на усилване по ток и се подобряват възможностите
11 управление на тиристора.
Останалите технологични операции за получаване на изводни
Юштакти и затваряне в корпус, не се различават от аналогич-
но операции за силовите диоди и транзистори.
цел да се повиши ефективността на охлаждане на силициевия
ристал при по-мощни тиристори и диоди се използува и т. нар.
ши ютъчна структура. При нея могат да се монтират два радиа-
П’ра, присъединени от двете страни на корпуса на тиристора.
Вариант на конструкция на тиристор с таблетъчна структура е
юказан на фиг. 8.7. Между медните основи 1 и 2 е разположена
нрнсторната структура 3. Към керамичния изолатор 4 с високо-
мпсратурен припой са запоени медни или коварови маншети 5
м Долният маншет 5 е запоен предварително и към основата /,
191
а горният маншет 6 се запоява към гъвкава мембрана 7.
Втулка
от изолационен материал служи за центриране на тиристорна!.
структура.
Вътрешният управляващ извод 9 се притиска с пружина
10
кьм
унравляващия електрод на тиристорната структура, преминат!
през специален отвор на катодната повърхност 2 и влиза в медиа
тръбичка 12. Към нея е прикрепен накрайник 13 с гъвкав въннн и
проводник 14.
На фиг. 8.8 е показан разрез на традиционната конструкции
на тиристор, закрепен върху охладително тяло — радиатор.
8.1.4. Устройство и принцип на действие
на симетричния тиристор
Симетричният тиристор (триакът) е тиристор, чиито волт-амперин
характеристики са еднакви при различии полярности на при
ложеното напрежение.
Многокристалната структура на триака се състои от пет редупп
щи се области и четири PN прехода.
На фиг. 8.9 е дадена структурата на симетричен тиристор, Koiiin
се включва по веригата на анодното напрежение.
Както се вижда, тази структура е симетрична спрямо двата ел<т
трода. Ако към горния електрод се подаде положително напреим
ние спрямо долния, то преходът ji се запушва и не оказва влип
ние върху работата на прибора.
192
В този случаи деиствиею на прибора се определи от P1N2P2N3
i груктурата и представлява за тази посока динистор с шунтирана
емитерна облает (виж фиг. 8.6).
Когато към горния електрод се подаде отрицателно напреже-
ипе, запушва се преходы
/i. Тогава преходът /| иг-
рае ролята на шунтиран
гмитерен преход. Поради
'пметричността на струк-
। урата и за тази посока на
иключеното напрежение
приборы се отнася като
шнистор с аналогични
свойства. Ето защо волт-
амперните характеристики
на прибора, показани на
фиг. 8.10, са симетрични.
В описаната структура
нключването се осъществява
в резултат на лавинообразно разви-
нащи се процеси при повишени напрежения. Чрез поставяне на до-
п ьлнителен електрод може да се управлява включването аналогич-
но на тринисторите.
На фиг. 8.11 са показани волт-амперни характеристики на си
мистор, чието включване се управлява от тока /6 чрез допълните
пен управляващ електрод.
Н.1.5. Параметри на тиристорите
Статични параметри. Основните параметри на гиристорите са ана-
югични на параметрите на силовите полупроводников!! диоди:
максимално допустимо обратно напрежение, пад на напрежението
13 Електронни пилунроводникови прибори
193
в права посока, максимална температура на структурата и макси
мален среден ток. Част от тези параметри зависят от охлажданс
то, .поради което тиристорите се монтират върху охладителни те
ла — радиатори. В редица случаи се прилага принудително вы
душно охлаждане с вентилатори.
Освен изброените параметри, конто са характерни за изправи
телните диоди и мощните транзистори, тиристорите имат и редина
специфична характеристики и .параметри
Напрежение на превключване U(BO}- Това е анодното напр<
жение, при което тиристорът преминава в отпушено състояние при
отворена верига на управляващия електрод.
Пробивно напрежение UR(BI{). Обратно напрежение, при коею
токът през тиристора нараства лавинообразно.
В тиристорните схеми и устройства не са допустими режими па
работа, при конто се доближават напреженията U(BO] и UMnR). Така
е и с останалите критични параметри. Ето защо експлоатациои
ните максимално допустими стойности на параметрите винаги <<
дават с определен резерв спрямо критичните. Това гарантиря н;;
деждната работа ня прябор’ЛТ? В СХемите и устройствата.
Новтарящо се 'върхово напрежение в запушено състояние UnHXI
и повтарящо се обратно върхово напрежение URHM фиг. 8 1 1
Тези напрежения в справочниците се дават еднакви по стойност и
определят класа на тиристора по напрежение: клас 1 — 100 \
194
клас 2 — 200 V и т. н. Така например тиристорът Т 7-1 има пара-
метри uDRM = URRM = 100 V. Напреженията UDRM и URRM винаги
са от 1,5 до 2 пъти по-малки от напрежението на пробив UR{BRy
Ток в запушено състояние ID и обратен ток IR. Определят се при
<ададени стойности на приложените напрежения в права и в обрат-
на посока.
Среден ток в отпущено състояние ITAV. Определи се за еднополу-
нериодна токоизправителна схема при активен товар аналогично
на средния ток при диодите. Уточняват се условията на охлаждане
н температурата на околната среда. Този ток определи класа на
тиристорите по ток. Така например тиристорът тип Т7-2 е тиристор
със среден ток !Tav — 7 А и повтарящо се върхово напрежение
200 V.
Постоянен ток в отпущено състояние 1ти. Това е работният по-
стоянен ток, при който тиристорът може да работи неограничено
дълго време. На практика.е малко по-голям от средния ток; т. напр.
ia тиристор от типа Т7 в справочника се дава ток lTO = 10 А.
Напрежение в отпущено състояние UT. Определи се при пред-
парително зададен ток. Обикновено това е постоянният ток 1Т0.
Удържащ ток 1Н Това е минималният аноден ток, при който
шристорът все още остава в отпущено състояние след отпадане на
управляващия ток.
Постоянен отпушващ ток през управляващия електрод 1СТ. Това
с токът, който гарантирано ще отпуши тиристора при определено
шодно напрежение и товарно съпротивление.
Динамични параметри на тиристора. Тези параметри са свър-
1.ШИ с преходните процеси, конто се развиват в структурата при
рключване и изключване.
време на задържане /к,; е времето, отчетено от момента на по-
|.шане на управляващ импулс /0 до момента, в който анодннят
кж достига до стойност, равна на 0,1 от установената стойност
ил тока. На фиг. 8.13а е показана схема на опитната постановка,
195
с кояго могат да се наблюдават преходни те процеси и да се отчета!
съответните параметри. На фиг. 8.136 са дадени времедиаграмите
на унравляващия и анодния ток.
Време на нарастване на анодния ток /, е времето за нарастване
на тока от 0,1 до 0,9 от установената стойност — фиг. 8.136.
Времето на включване tgt е сумата от двете времена:
(8-4) tgt= tr-
Време на изключване на тиристора 1Ч — времето, отчетено от мо
мента на промяната на тока qt права в обратна посока до мо
мента, в който тиристорът напълно възстановява запиращите си
свойства.
Критична скорост на нарастване на анодното напрежение
( —— ) . При определена скорост на изменение на анодно-
\ dt / кри1
то напрежение тиристорът се включва без управление от управля
ващия електрод. Причината за това е съставката на тока, получи
на през капацитета на централния преход С/2, която е t, =
. dUo
/2 dt
При определена скорост на нарастване на анодно
то наЧфежение този ток, преминавайки през управляващия прехо i
нричинява описаните лавинообразни процеси в структурата и тп
ристорът преминава във включено състояние.
Критична скорост на нарастване на анодния ток ( )
dt 'крш
Когато тиристорът работи с токови импулси с голяма стръмносц
токът не успява за краткого време да се разпространи по цялата
плогц на структурата, а се съсредоточава в тесен сноп («шнур»)
Това нричинява локално прегряване и структурата излиза oi
строя. Ето защо се регламентират максимално допустимите стръм
ности на токовите импулси, конто не бива да се превишават в реал
но работещи схеми.
Честотните параметри на тиристорите са свързани с и реходни i с
процеси, конто до известна степей са сходни с преходните процеси
в диодите и транзисторите. Тези параметри определят бързодейс!
вието на приборите и честотните обхвати на силовата преобразува
телна техника. Обикновено тиристорите могат да работят с честоти
до неколкостотин херца. Специални бързодействувагци тиристора
превключват сигнали с честоти няколко десетки килохерца.
8.1.6. Основни приложения на тиристорите
Приложенията на тиристорите са в областта на преобразувател
ната и комутационната техника, където те се използуват кат о
електронни ключове. На фиг. 8.14о е показана схемата па свър<
ване на тиристора в динамичен режим. В анодната верига е вклю
чен източник на постоянно напрежение Еи и товарен резистор /?„, а
196
в управляващата верига — източник на напрежение Ес и резистор
Р.
Rc с голямо съпротивление. Управлявашият ток е /6 = ——
Нека да приемем, че напрежението Ес, респ токът 1и, се изменят
линейно с времето така, както е показано на времедиаграмата от
фиг. 8.14е. Обяснението на действието на схемата е следното.
Фиг. 8.14
До момента /, тиристоры е запушен и работната точка, онреде-
лена от товарната права Еа = 1А Ru ф- UA е т. А (фиг. 8.146). През
тиристора протича много малък ток 1п и по същество той представ-
лява отворен ключ.
В момента тиристорът се
отпушва и работната точка се
установява в т. В. Анодното
папрежение намалява до стой-
ност UT, а напрежението върху
говарния резистор се повишава
до стойност URt=Eu — Ut.
В сравнение с диодния ключ
гиристорният ключ има едно
основно предимство: отваряне-
го му е управляем процес. Чрез
подаване на отпушващ импулс
па тока в управляващия елек-
грод може да се избере произво-
лен момент на отпушване, неза-
висимо от стойността на прило-
женото гюложително анодно
_10.
Фиг. 8.15
gt g)
папрежение. Това свойство се използува в регулируемиге и ыабн
лизирани токоизправителни устройства
В сравнение с транзисторния ключ тиристорът има предимство-
го, че може да превключва много високи напрежения и да пропуска
197
много големи токове. Това го прави незаменим елемент за сило
вата преобразувателна техника. Недостатъци са малкото му бър-
зодействие и невъзможността да се приведе в запушено състоя
ние посредством управляващия електрод.
На фиг. 8.15а е дадена елементарна схема, илюстрираща едно
от най-разпространените приложения на тиристорите - за регу
лируеми токоизправители. Както бе подчертано, тиристорът може
да пропуска ток само в една посока, ако на управлявагция му елек
трод се подаде положително напрежение. На фиг. 8.156 с прекъс
вана линия е показана диаграмата на променливото напрежение,
което гце се преобразува в постоянно пулсиращо напрежение вър
ху товарния резистор /?т. На фиг. 8.15в са дадени кратките управ
ляващи импулси, с конто се включва тиристорът. Както се вижда
от диаграмите на фиг. 8.156, за ъгъл тиристорът е в изклю
чено състояние и напрежението върху RT е нула. При = тирл
сторът се включва и представлява практически късо съединение
напрежението U е приложено към /?т. За U<0 тиристорът се из
ключва и напрежението върху /?т е отново 0 и т. н. Чрез регулиране
на ъгъла <^кл може да се управлява електрическата мощност, която
се отдели в товарния резистор.
8.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ПРИБОРИ СЪС СПЕЦИАЛНО
ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ
Полупроводниковите прибори, като излизат извън класа на
разгледаните дотук прибори, са твърде разнообразии и с по-специ
фични приложения. Тук са разгледани само никои от тях, коню
широко се използуват в съвременната електронна измервателпа
техника, в електронните средства за автоматизация и в дру< и
области на техниката.
8.2.1. Полупроводникови терморезистори
Герморезисторите представляват резистори, чието съпротивлешк
зависи значително от температурата.
Високостабилни терморезистори са металните, конто се изпл
вят от меден, платинов или друг вид проводник. Те имат по-малка
чувствителност към температурата в сравнение с полупроводнп
ковите терморезистори.
Полупроводниковите терморезистори се делят на две основни
групи: термистора характеризират се с отрицателен темпера
турен коефициент на съпротивлението (при повишаване на тем
пературата съпротивлението намалява). и позистора с поло
жителей (при повишаване на температурата съпротивлението >•
увеличава). И едните, и другите са с поликристални структури
Термистори.Термисторите представляват обемни полупроши
никови резистори. Принципът на действието им се основана и i
198
зависимостта на специфичната проводимост на полупроводнико-
вите материала от температурата.
Термисторите се изработват от метални окиси, сулфиди, селе-
ниди и др. В зависимост от изходните материали и пропорциите
на смесване се получават термистори с различии параметри.
Конструктивного оформление на термисторите според целите и
предназначение™ им е разнообразно: от най-обикновено оформ
ление по подобие на резисторите - фиг. 8.16а, до сложни балон-
ни вакуумни конструкции -фиг. 8.166 (за специални измерва-
телни цели). Условного графично означение на термисторите е по-
казано на фиг. 8.16в.
Електрическото съпротивление Rt на термисторите зависи екс-
ионенциално от температурата — фиг. 8.17.
Температурният коефициент на съпротивлението TKR представ
лява процентного изменение на съпротивлението за изменение на
температурата с 1 градус:
(8.5) TKR = a„=-^~ • — • 100,
* R, Т °C
С повишаването на температурата, както бе казано, съпротив-
лението на термистора намалява. Следователно съпротивлението
на термисторите е с отрицателен температурен коефициент
г^<0. Стойността на aR за различишь термистори се движи в
границите от 0,8 до 6,0%/°С.
Освен разгледаните дотук параметри термисторите се характе-
ризират с максимална работна температура /тах, максимална раз-
веяна мощност, времеконстанта във въздуха т (показва за колко
време термисторът, поставен в определена среда, добива темпера-
।урата на тази среда) и др.
Фиг. 8.16
Фиг 8.17
Гермисторите се използуват в промишлеността за: измерване
п регулиране на температура; топлинен контрол и пожарна сиг-
нллизация; автоматично регулиране на нива на течности, измер-
||.ше на скорости на движение на различии среди; измерване на
199
! г Ч Г I
\ . .1. '
СВЧ ток и мощност; в схемотехниката за температурна ком
пенсация на електричееки параметри и др.
Позистори. Забелязано е, че в някои сегнетодиелектрици и коп
кретно в полупроводниковите титанати при определени -темпера
тури се извършват изменения в кристалната структура, съпрово
дени с изменения и в специфпчното им съпротивление (аномалпа
температурна зависимост).
Позисторите се изготвят по подобие на термисторите с тази ра»
лика, че за изходен материал се използува полупроводникова ке
рамика — титанати. В зависимост от изходния материал темпе
ратурният обхват на приложение е от 60°С до Т-400°С. Най
малкото специфично съпротивление е от порядъка на един ом. И »
готвянето на високоомни позистори не е трудно.
Положителният TKR в позисторите в температурнага облает n.i
нащголяма чувствителност може да превиши дори 100%/сС. Тем
пературната зависимост обаче е сложна и за по-широк темпера
турен обхват е нееднозначна. Недостатъкът на позисторите е за
висимостта на съпротивлението от приложеното напрежение
т. нар. варисторен ефект.
В измервателните схеми позисторите се евързват последовател
но или паралелно с линейни резистори.
Силната температурна зависимост на позисторите определи
широките възможности за тяхното практическо използуване: за
индикация, измерване и регулиране на температура, за темпе
ратурна компенсация в радиоелектронни и електротехнически схе
ми и устройства, за топлинна защита на електродвигатели и др
8.2.2. Варистори
Варнсторите иредставляват нелинейни полупроводникови рези
стори. Те имат симетрична нелинейна волт-амперна характернстн
ка, показана на фиг. 8.18.
200
Като изходен материал за направа на варистори се използува
прахообразен силициев карбид. За увеличаване на нелинейните
свойства към зърната се прибавят (чрез дифузия) никои приме-
си — желязо, фосфор и др.
В зависимост от изходния материал и свързващото вещество
се получават нисковолтови или високоволтови варистори. Ва-
ристорите се оформят във вид на шайби — фиг. 8.19а, или имат
цилиндрична форма — фиг. 8.196. На фиг. 8.19е е показано гра-
фичното означение на варисторите.
Варисторите се използуват за защита от пренапрежение, за
стабилизация на напрежение, за регулиране на електрическа
мощност, като функционал ни преобразуватели (напр. квадрато-
ри).
8.2.3. Галваномагнитни прибори
Галваномагнитните прибори използуват галваномагнитни ефек-
ти, проявяващи се при взаимодействие™ между магнитно поле
и електричееки ток в твърдото тяло. Това са ефектът на Хол и из-
менение™ на електрическото съпротивление в магнитно поле.
Прибори, основани на ефекта на Хол. Ако по дължината на по
лупроводникова пластина протича ток и върху нея във вертикал-
на посока действува магнитно поле с индукция В, в другите две
страни на пластиката в посока, перпендикулярна на посоките на
тока и магнитного поле, възниква електродвижещо напреже-
ние — фиг. 8.20. Ефектът е наречен на името на неговия открива-
тел — ефект на Хол, а създаденото напрежение — напрежение
на Хол. Напрежението на Хол смени знака си, ако се смени поляр-
ността на магнитного поле или посоката на тока t
Нричината за възникване на това напрежение е отклонението
на движещите се токоносители към единия край на кристала под
влияние на магнитного поле.
Експериментът ноказва, че
големината на това е. д. н. се
определи от формулата
(8,6) ех=А — =A'.i. В,
d
. където А е коефициент на
Хол;
i - токът, който се
пропуска през
пластината;
В индукцията на
магнитного поле;
d - - дебелината на
пластината.
Ефектът на Хол се използува
201
за направа на т. нар. датчици на Хол. Поради редицата си преиму-
щества — малка инертност и универсалност при измерване на раз-
личии физични величини, те намират широко приложение.
Измерване на интензитета на постоянна и променливи магнит-
на полета. Съгласно формулата за ех, валидна за постоянни и
променливи стойности на електрическите величини, ако се под
държа постоянен токът I, индукцията В (респ. интензитетът И)
е пропорционална на напрежението ех. По тозр начин чрез измер
ване на напрежението ех може да се отчита директно интензите-
тът на полето И.
Измерване на големината на тока и измерване на мощности.
Ако индукцията В е постоянна, напрежението ех е пропорционал-
но на тока. Така могат да се мерят много големи постоянни и про-
менливи токове чрез просто отчитане на напрежението на Хол. При
свързване в подходяща схема напрежението на Хол може да о
пропорционално на консумираната активна мощност. На този
принцип се основава изработването на прости и сигурно действу-
ващи ватметри.
Датчиците на Хол се използуват още за преобразуване на по
стоянния ток в променлив, за модулация на променливия ток, за
детектиране и т. н.
Магниторезистори. Ако в постановката на фиг. 8.20 поддържа
ме тока i= const, когато се приложи магнитно поле В, показание™
на волтметъра се увеличава. Това показва, че съпротивлението
на пластината нараства със стойност А/?о- Установено е, че из-
менението не зависи от посоката на тока, който протича в намот-
ката на електромагнита, създаващ индукцията В, т. е. не зависи
от полярността на магнитното поле.Валидна е връзката на съпро-
тивлението на магниторезистора Rlt от индукцията:
(8.7) R„ = RU [1+/'(|B|)J.
За слаби магнитни полета f(\B\)=K . В2, където К е константа.
Описаният ефект се използува за направа на магниторезисто
ри. Те се прилагат за измерване на интензитета на магнитното по-
ле и пропорционални на него величини, като преобразувател (мо-
дулатор) на постоянен ток, като безконтактно регулируемо съпро
гивленпе и др.
8.2.4, Полупроводникови тензодатчици
Тензодатчиците са прибори, конто са чувствителнн на механич-
ни деформации. Полупроводниковите тензодатчици биват тензо-
резистори и тензодиоди.
Действието на тензорезисторите се основава на следния прин
цип. Когато кристалното тяло е подложено на механични деформа
ции, поради изменение на междуатомните разстояния се изменя
концентрацията на свободните токоносители, а оттам и електро-
проводимостта му. Установено е, че забранената зона при полу-
202
проводниците може да се стеснява или разширява при сближа-
нане на атомите. Поради това при различии полупроводници една
и съща деформация може да предизвика увеличаване или нама-
шване на проводимостта. За оценка на степента на изменение
на проводимостта при прилагане на определена механична де-
формация ее въвежда понятного тензочувствителност:
(«.«) т=^—-
Р \1
Тензочхвствителността се изразява с безразмерно число. То е
отношението на относителного изменение на специфичного сьпро-
гивление л р/р към относителната деформация в дадено направ-
щике \l/l 1 епзочувствптелността зависи от типа на електропро
нодимостта па дадения материал, от неговото специфично съпро
гивление и от кристалографското направление, в което е прило
жена механичната сила.
Сериозен проблем при използуване на тензорезисторите пред
ставлява влиянието на околната температура върху съпротивле-
нпето им. Ето защо полупроводниковите тензометри изискват
електрически схеми на свързване, в конто е предвидена темпера-
гурна компенсация.
Тензорезисторите са във вид на пръчки от монокристали на гер-
маний или силиций (N или Р проводимост) при подходяща криста-
лографска ориентация (фиг. 8.21).
Тензорезисторите намират следите ио-важни приложения:
Германиеви микрофоны. Устройство™ на германиевия микро
фон е дадено на фиг. 8.22. Две германиеви пластини 2 са слепени
иомежду си с подходяще лепило 3. Получената конструкция е
щкрепена в конзола 4. Механичните трептения на мембраната 1
се предават в свободния край на двете пластини така, че в един и
същи момент едната е подложена на разтягане, а другата на сви-
иане. Това изменя двупосочно съпротивленията им по дължина I.
Гъй като тези съпротивления са включени в мостова измервател-
иа схема, която в положение на покой е уравновесена, всяко треп-
Фиг. 8.21
Фиг 8.22
1ене или преместване на мембраната ще предизвика разбалан
сиране на електрическия мост и поява на изходно напрежение.
Полупроводников акселерометър Тензорезисторният акселе-
203
рометър, предназначен за измерване на ускорения, е аналогичен
по конструкция на германиевия микрофон.
Създадени са нишковидни силициеви тензорезистори, дифу
зионни тензорезистори, тензодиоди и др. Те играят важна роля и
измерването на механични деформации.
8.2.5. Термоелектрически полупроводникови прибори
Термоелектрическите полупроводникови прибори биват термо
електрически генератори и термоелектрически хладилници
Термоелектрическите генератори се основават на ефекта на
Зеебек, отрит през 1921 г.: в краищата на верига от разнороднп
проводници възниква термоелектродвижещо напрежение е, ако
спойките между проводниците се намират при различии темпера
тури:
(8.9) е = ат . \Т,
където ат е коефициент на термо-е. д. н., показвагц каква разлп
ка се получава в генерираното напрежение за температурна раз
лика АГ=1°С. За металите зависнмостта (8.9) е строго линейна
в широк температурен интервал и те отдавна са използувани за
направа на термодвойки. При тях обаче ат има малка стойност н
приложение™ се ограничава *до измерване на температурю
Развитие™ на полупроводниковата техника показа, че явлс
нието може да се използува за енергийни цели, при което топлив
ната енергия се преобразува непосредствено в електрическа.
Коефициентът на термо е. д. н. а?. в термоелементнте е от по
рядъка на 300—500 jiV/°C. За получаване на по-внсоки напре
жения последователно се свързват голям брой елементи, а за уве
личаване на тока — паралелно.
В термоелектрическите хладилници се използува ефектът па
Q
Фиг. 8.23
Пе.пие: ако в свободните краища на двата полу
проводника N и Р вместо товарен резистор с<
включи постояннотоков източник така, както е по
казано на фиг. 8.23, във веригата протича ток.
Дупките и електроните рекомбинират в близост до
металната пластина и в тази облает се отдели топ
лина на Пелтие. В долните контакти се поглъща
топлина и те се охлаждат. В системата е уста
новено топлинно равновесие, като горният крап
излъчва топлина, а долните поглъщат топлина н
охлаждат пространство™ около тях.
В последните години са разработени различии
конструкции на битови хладилници. Освен това
микрохладилниците, работещи на този принцип.
намират приложение за термостатиране на кварцови генератори и
други електронни схеми.
204
извод»
।, j ' ,i пр iMHiia ,t: > ' l . » j i noilHKc. I -
ей QUrita елекцюиика 1Т/к*дм(.'т iu силовата i .iinipoiii.iui
с, i nii и и । । 1111 * । . i5 bp’" . , и p>
u0p$ lOl.IHl НЦ I. II-M [>1141 i I-.. I . I I I I I i IIIH ВИД I ip_
ib ,. । po nr । нос ii.' i ii и bi nip । . . . 11 ,i on i,
III I ря ,1.1 I*.' 110111,111, .HIll.lIH I, I I.I Ip.' I ||,1 III III MIMII
'H c 111! I. I II |. ' , I I II 111 n , I . II 'I . < I 1 ,' .1 1 ' I I I 11 I.
1 po.ui 11 nani.iinoi i o циннии i. i>. I
<.ьвр. iciiHdia t i.nip ini' Hhi\r рпя i . тел-
imcTopn i. iiinpo I. к . i.i..и i n..npt/i я i.-i i \ io
cToriiiui ninepii и or 50 100 \ спяди ВО.1Г0Ы-
CllVil । .1. liii hid*. no iilipni'.. i.,i ..nil lip..o..p,। lip' I
Hull'.' it llll ,' lipi <K)|)<U\I'.illc .11 Hl. I II', ipn‘1. . К.I I, lll'IilHH
, ipillt'iMI m 1ИЧ11ИИ Jlojyiij IHrlJ BUT' ,<>p<'
in lopii : no nerol i nr .i ।
ЦИЯТ.1 Hi ie\H0.1orH4l0: lipi.i.iCu iin,|i ;nll i Т.-H.'..l nil
явления.
I ; 1... :,. . 11 ,, I, I 1111 11 up p I. Hill' I I г I I Lt|>Vl\ I .. Hu Xi I.I
Нач ipi.i iipi lozhcllifH При ll . .. Il । lol 'apuneipii
.. v: i h".’ ". полети и
1 Lll' IipOJO.Uinhob. 11 Г< t I . lip I , I m. \<
НИЧНИ |<’формнцин 1'. I I' кгри-i ,1 ilirhci I ll CI 11 Al I
HIT III : -icrpi Him Vc I pnilc ГВ.. I ' 1,1.Ill' ll. гвърд., .1
гори; iii 1 i.i luThJi i.и-I и. i i" . . i iii i.h ip ni t о
Въпроси и задачи
I. Начертайте структурата на тиристор и свьржею захраиващи източници към
анода и управляващия елсктрод. Какви анодни характеристики има тиристо
рът и как се управлява неговото включване?
2. Какво представляват термисторите и какви свойства притежават? За какви
цели се използуват?
3. Какво представляват датчиците на Хол и за какви цели се използуват?
I. Какъв ефект се използува в тензодатчиците?
5. Какъв ефект се използува в термоелектрическите полупроводникови прибори?
205
ГЛАВА ДЕБЕТА
Оптоелектрониката като понятие се появи преди повече от 20 1
Сега представлява напълно оформен отрасъл на електроннат.ч
техника. Оптоелектропните прибори намират широко приложе
ние в автоматиката, в измервателната техника, в изчислителна
та техника, в съобщителната техника и др.
9.1. ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ И КЛАСИФИКАЦИЯ
НА ОПТОЕЛЕКТРОПНИТЕ ПРИБОРИ
9.1.1. Основни понятия
Оптоелектрониката представлява научно техническо направле
ние, в което за обработка, предаване и съхраняване на инфор
мацията се използуват както електронни, така и оптични средства
В оптиката дължината на вълната на електромагнитното лъче
ние се измерва с единицата мярка микрометър (1 рт=10-6 т)
или нанометър (1 пт = 10-9 т). На фиг. 9.1 е показана скалата
на електромагнитните вълни в оптичния обхват. На фиг. 9.2 са
представени само видимата част от спектъра и относителната
чувствителност на човешкото око S/Smax за различните дължи
ни на вълната (спектрална чувствителност). Както се вижда, ч<>
вешкото око има максимална чувствителност за 550 пт.
Със светлината са свързани следните по-основни величини.
Светлинен поток Ф. Това е поток електромагнитно лъченис,
оценен по усешането на човешкото око за светло. Измерва се в
лумени (1гп).
Ултра -
биолетов
спектър
пнфра
червем
Видим
спектър
спектър
Фиг. 9.1
Един лумен е светлинният поток, който се получава в единица
пространствен ъгъл при светлинен интензитет една кандела.
Светлинен иитензитет Iv. Интензитетът на светлината представ
206
лява светлинният поток Ф, който се получава за единица npoci
ранствен ъгъл Q:
360 400 550 580 520 560 600 650 660 7Z0 760, пт
Фиг. 9.2
Измерва се в канделл (cd). Една кандела представлява интензи-
тетът на светлината. излъчвана в перпендикулярна посока от по-
върхност 1/600000 гп2 на платинен източник при температурата
на топене 2024 К-
Осветеността Ес има размерност луке (1.x). Осветеността е 1 1х,
когато на 1 т2 от повърхността пада равномерно разпределен
светлинен поток 1 Im.
Ако върху определена повърхност с площ S се създаде равно-
мерна осветеност EVt светлинният поток, конто пада върху тази по-
върхност, се изчислява с формулата
(9.2) Ф = ЕС. S,Im.
Така например, ако полупроводникова пластина с повърхност
5=10 тпг се освети с 1000 1х, се получава светлинен поток Ф =
= 1000 lx.10.10-6 т2 = 0,01 1т.
9.1.2. Определение и класификация на оптоелектронните прибори
Оптоелектронните прибори са онези прибори, конто излъчват
светлина, преобразуват светлина или изменят електрическите си
параметри от светлината. В тези процеси участвува и електричес
ка енергия.
В съответствие с това определение оптоелектронните прибори
се делят на три основни групи.
207
Фотоприемници. Това са прибори, чувствителни към светлината.
Приемайки светлинната енергия, те изменят никои свои електри-
чески параметри.
Светлоизлъчвателни прибори. Това са елементи на оптоелек-
трониката, конто преобразуват електрическата енергия в електро-
магнитна, излъчват инфрачервена, видима или ул трав иолетов а
светлина. Към тези прибори се причисляват светодиодите, газо-
разрядните индикаторни лампи, електроннолъчевите тръби и др.
Преобразуватели на светлината (светлопреобразуватели) —
използуват светлината. за да създадат лъчение с друго качество.
Тук спадат лазерите, полупроводниковите модулатори и др.
9.2. ФОТОЧУВСТВИТЕЛНИ ПРИБОРИ, ИЗПОЛЗУВАЩИ ВЪНШНИЯ
ФОТОЕФЕКТ
Фоточувствителните прибори, използуващи външния фотоефект,
се наричат още фотоелементи.
Най-елементарни прибори от този клас са вакуумните ц газо-
напълнените фотоелементи. По-сложни са фотоум нож ителите, а
към тях спадат и иконоскопите и ортиконите — фотоелектрически
преобразуватели на светлинна енергия в електрическа.
9.2.1. Същност на външния^ютоефект
В т. 2.2 бе разгледана електронната емисия и свързаната с нея
работа на излитане на електроните 1Ко = ^фо от метал на повърх-
ност. Когато енергията з^'достигането на работата на излитане се
доставя от кванти светлинна енергия, се получава фотоелектронна
емисия. Следователно външният фотоефект представлява елек-
тронна емисия за сметка на светлинна енергия.
Енергията на квантите се определи с формулата W=h.v, къде-
то h е константата на Планк, ат — честотата на електромагнит-
ното трептение. Когато погълнатата от електрон квант енергия /i.v
е по-голяма от работата на излитане, разликата се превръща в
кинетична енергия на излетелия от повърхността електрон.
Става ясно, че фотоелектронната емисия се определи както от
работата на излитане на електроните, с която се характеризира
даденият материал, така и от дължината на вълната на светлин-
ното лъчение. За направа на фоточувствителни прибори с външен
фотоефект се използуват съединения на алкалоземните метали,
конто се отличават с малка работа на излитане.
9.2.2. Вакуумни фотоелементи и фотоелектронен умножител
Устройство и принцип на действие. Вакуумните фотоелементи
иредставляват стъклен балон, в който са поместени два електро-
да — анод във вид на малък пръстен, и катод — фоточувствителен
208
слой, нанесен непосредствено вьрху вътрешната повьрхност на
балона (фиг. 9.3).
Според вида на фоточувствителния слой са известии два основ
ни типа фотоелементи: кислородно-цезиеви и антимоно-цезиеви.
Фиг. 9.3
Фиг. 9.4
Когаго на анода се подаде положително напрежение, през то-
варния резистор RT (фиг. 9.4) протича аноден ток, чиято стой-
ност зависи от интензитета и дължината на вълната на светлинно-
то лъчение. Анодният ток се определи фактически от броя на еми-
тираните от катодната повърхност електрони, резултат на фото-
електронната емисия.
За получаване на по-голям фототок са конструирани фотоелек-
гронни прибори, наречени фотоумножители За целта се използува
явлението вторична електронна емисия.
Принципът на действие на тези прибори може да се разбере,
като се разгледа устройството им и начинът на захранване, дадени
на фиг. 9.5. Светлинният поток, попадайки върху фотокатода, пре-
дизвиква фотоелектронна емисия. Излетелите под действието на
ускоряващо електрическо поле електрони се насочват към допъл-
нителния електрод — емитера Е\. Повърхността му има структура,
подобна на тази на кислородно-незиев фотокатод, поради което
се получава вторична електронна емисия с твърде голям коефи-
циент на умножение — о = 3-у5. Всички новополучени електрони
се ускоряват към електрода £2, който има по-положителен потен
14 Електронни и полупроводникови прибори
209
циал от Е| и е с аналогична структура, получава се ново умноже-
ние на електроните и т.н. Токът в анодната верига в крайна сметка
се определи с израза
(9.3) Л, = о"./„,
кьдею /,, е иачалнияг юк ог фотокатода;
п броят на допълнителните електроди
Фотоелектронните умножители, независимо че съчетаваг функ-
ции на създаване на фототок с едновремснното mv усилване, имат
редица недостатъци, конто са причина в много случаи да се пред
почитат обикновените фотоелементи. Тези недостатъци са: по
сложната конструкция, по-голямата цена и необходимостей от за
.хранващо напрежение с доста голяма стойност— 1000 2000 V.
9.3. ФОТОЧУВСТВИТЕЛНИ ПРИБОРИ С ВЪТРЕШЕН ФОТОЕФЕКТ
Вътрешният фотоефект представлява разкъеваие на ковалентни
връзки и създаване на свободни токоносители в полупроводники
ви структура под въздействие на кванти светлинна енергия.
Фоточувствителните полупроводникови прибори заемат голям
дял в промишлените електронни устройства. Създадени са и се
произвеждат твърде разнообразии прибори фоторезистори, фо
тодиоди, фототранзистори, фототиристори, опгрони и др.
9.3.1. Фоторезистори
Устройство и принцип на действие. Вътрешният фотоефект се про
явява-чрез генериране на двойки електрон дмпка в полупровод-
ника при облъчването му със светлина. Пораждането на свободни
токоносители увеличава проводимостта му. Колкото е по-малка
концентрацията на допълнителни примеси, толкова по-силно се
проявява този ефект: фоточувствигелността, определена каго от
ношение на проводимостта на светло към проводимостта па тъмно
се увеличава. Ето зашо за направа на фоторезистори се нзнолп
ват сравнително чисти (високоомни) полупроводникови маю
риали.
На фиг. 9.6 е показано принципното устройство на фоторезистор
Тънък слой от полупроводников материал 2 е нанесен върху
210
изолационната подложка 1 от стъкло или керамика. Изводите са
изведени от металните контакта 4 и 5. За предпазване от вредни
влияния на околната среда фоточувствителната полупроводни-
кова повърхност се покрива със специален защитен лак. Той се из-
бира така, че да не поглъща светлинния поток в работния честотен
обхват.
Полупроводникът за фоторезисторите може да се получи чрез
пресуване на прахообразен полупроводник във формата на тънка
пластинка, която се изпича при висока температура. Съществува
и друг начин за неговото получаване от тънки полупроводникови
монокристални пластини.
На фиг. 9.7 е показана конструкция на фоторезистор
Основни парамсчри и характеристики на фоторезисторите. Ос
новин параметри и характеристики на фоторезисторите са:
Съпротивление и гок на тъмно. Когато фоторезисторът не е ос-
нетен, в него съществуват сравнително малък брой свободни гоко-
носители, получени в резултат на тоилинно генериране на двойки
електрон дупка. Те определят съпротивлението на фоторезис
гора при липса на светлина. Това съпротивление варира в грани-
ците от 10 kS> до lOMQsa различните фоторезистори. При неос
нетена повьрхносг и прилагане на напрежение през фоторезис-
гора протича ток, наречен ток на тъмно.
Фотогок. Когато фоторезисторът се освети, токът през него на-
раства. Разликата между тока на светло и тока на тъмно се нари-
ча фототок. При облъчванес бяла светлина (широк честотен спек
гър) този ток зависи от напрежението в съответствие със закона
на Ом.
(9.4) /ф=£Ф^ф,
кьдею k е интегрална1а чувствителност на фогорезистора. Има
размерност A/V.lrn и варира в границите 0,5 50 mA/V.lm.
Фиг. 9.7
Статичните характеристики, съответствуващи на израз (9.4),
са показани на фиг. 9.8.
Когато фоторезисторът се обльчва с монохромна светлина, стой-
иостта на тока се определи от т. нар. спектрална чувствителност
Z A if ч Н А ~Х
; *;!.» •’ -5КА I
21 1
Зависимостта на спектралната чувствителност от дължината
на вълната се нарича спектрална характеристика. На фиг. 9.9 са
показани спектралните характеристики на различии видове фото
резистори, изразени в относителни единици спрямо максимализм
стойност на фототока.
Динамичен режим. Свързвансто на фоторезистора в динамичен
режим е показано на фиг. 9.10а. На фиг. 9.106 са нанесени дне
волт-амперни характеристики едната при Ф = 0, а другата
за определена стойност на светлинния поток Ф. Като се прекара
товарната права, може да се определи изменение™ на изходното
напрежение AU при осветяване на фоторезистора.
9.3.2. Фотодиоди и фотогалванични прибори
Вьтрешният фотоефект се проявява и при PN преход. Ако на пре
хода се подаде напрежение в обратна посока, получава се т.нар
фотодиоден ефект— увеличаване на тока при осветяване на пре
хода. Ако не е подадено външно напрежение, между изводите па
PN прехода при осветяването се появява фото е.д.н. проявява
се фотогалваничният ефект
Устройство и принцип на действие. На фиг. 9.11ие показан PN
преход, който е поляризиран в обратна посока с източника Ео. Ако
PN преходът не е осветен, приборът действува като обикновеп
212
диод във веригата протича нищожно малък топлинен ток. Кога-
то PN преходът се освети, в него се генерират двойки електрон —
дупка. Дупките се увличат от полете на PN прехода и преминават
в Р областта. Това предизвиква увеличаване на обратния ток на
диода, което до известии граниии е правопропорционално на уве-
личението на интензитета на светлината. Това е фотодиодният ре
жим на работа.
На фиг. 9.116 е показан PN преход, който при осветяване става
източник на електродвижещо напрежение. Когато се освети N об-
ластта, създадените от фотогенерацията неравновесии дупки пре-
минават в Р областта и намаляват потенциалната бариера с Aq> =
= еф, където еф е генерираното е.д.н. Това свойство на PN прехода
да генерира електрическа енергия за сметка на светлинна енер
гия намира приложение за направа на прибори, наречени фотоеле-
менти.
На фиг. 9.11в е показана
структурата на планарен
силициев фотодиод. Фото-
диоди се изготвят още от
германий, GaAs и др.
Характеристики и пара-
метри. Статичните харак-
теристики на фотодиода
са показани на фиг. 9.12а.
Възможни са два режима
па работа: като фоточув
ствителен приемник — фо-
тодиод, и като генератор
па е.д.н. — фотоелемент.
Схемата на евързване
като фоточувствителен
приемник е показана на
фиг. 9.126. За товарната
права може да се напише
1= Д-Н/ф-Д. Тя е прека-
Фиг. 9.12
рана в Ill квадрант на координатната система и от пресечните й
ючки със статичните характеристики могат да се отчетат токовете
п напреженията в схемата при различна осветеност — фиг. 9.12а.
213
За определена осветеност фототокът зависи пропорционално oi
светлинния поток:
/ц, = АФ.
И нтегралната чувствителност на фотодиодите е значително по
Фиг. 9.13
голяма от тази на вакуумнии
елементи. За различии фотодно
ди тя варира в границите от 5 к
20 niA/lni.
На фиг. 9.13 са показани спеЛ
трални характеристики на гер
маниев /, и силициев фото
диод 2. П ьрвият има твър ц
тесен спектър на чувствителногч
га, като максималната чувстви
телност се получава за 7^,,^ =J
= 0,8 pin (в инфрачервената об
ласт в близост до видимия спектър). Фотодиодите имат маши
мално обратно напрежение няколко десетки волтове и ток на тъм
но от няколко микроампера до десетки микроамперы
Честотните свойства на фотодиодите, при конто преходы е пол\
чен чрез сплавна технология, се характеризират с гранична чес
тота около 10 kHz. Фотодиодите, получеии чрез дифузна техноло
гия, имат значително по-добри честотни свойства.
Схемата на свързване на фотодиода в генераторен режим е пока
зана на фиг. 9.12е. Понеже липсва външно приложено напрежент
уравнението на товарната права е фактически законът на Ом
еф = /ф/?т. Тя минава през началото на координатната система в IV
(фиг. 9.12а) квадрант. От пресечната точка А с характеристикам
при зададената осветеност се определи генернраното е.д.н. е()1 в
токът /ф. При R: = оо (отворена верига) токът е нула, т.е. товары.i
та права съвпада с абсцисната ос. От пресичането й с характеры
тиката на елемента се получава напрежението на празен ход еф||я
Това напрежение за силициеви преходи е 0,4 0,6 V и 1,1 V за ст
циални хетерофотодиодни структури на базата на GaAlAs. При
нзход, даден накъсо, /<?, =0 и товарната права съвпада с ордины
ната ос. От пресичането на ординатната ос с характеристиката i.i
определена осветеност се намира токът на късо съединение. За сп
лициева пластина с диаметър 14 rnm този ток е 1-5 mA.
Ефективността на фотоелементите се определи от коефициент
на полезно действие, който представлява отношение на отдаванам
в товара /?т мощност към общата мощност на светлинното лъченпс.
попадаща върху фотоелемента. Силициевите елементи имат к.п.л
около 10%, а селеновите — 0,2%. От фотоелементите се изготв>п
слънчеви батерии, конто играят изключително важна роля в космп
ческите полети, но намират вече приложение и в промишленосм i
и бита.
214
9.3.3. Фототранзистори
Устройство и принцип на действие. Принципното устройство и ус-
ловното означение на фототранзистора са показани на фиг.
9.14а,б,в. При никои фототранзистори базата не е изведена извън
корпуса.
Фиг. 9.14
Принципы на действие е следният. Между емитера и колекгора
на транзистора се подава постоянно напрежение така, че ко-
лекторният преход се поляризира в обратна посока фиг. 9.14а.
Базовият извод е прекъснат. Когато базовата облает не е осветена,
във външната верига протича обратният ток 1Сео’ който е равен на
(1 + РУсво• Нарича се ток на тъмно. При осветяване на базата се
появяват неравновесии токоносители — електрони и дупки. Неос-
новните неравновесии токоносители в базата — дупки, появили се
в близост до колекторния преход, преминават през него, тъй като
полето им действува ускоряващо. С това се увеличава обратният
ток 1СВО през прехода. Дотук фототранзисторът по нищо не се отли-
чава от фотодиода. Тъй като базовият извод е прекъснат, нерав-
новесните основни токоносители — електрони, дифундират към
емитерния преход, като чрез своя отрицателен заряд намаляват
потенциалната му бариера.
Това създава условия за дифузия на неосновни токоносители
през самия емитерен преход, в резултат на което допълнително се
увеличава токът във вътрешната верига. Разликата от принципа
на действие на обикновения транзистор се състои в начина на на-
маляване на потенциалната бариера на емитерния преход. При
транзистора това става с подаване на външно напрежение между
базата и емитера. При фототранзистора неравновесните токоноси-
тели, създадени в резултат на светлинното лъчение, намаляват
спиращото електрнческо поле на емитерния преход и увеличават
тока.
Характеристики и параметри. Статичните характеристики на
фототранзистора представляват зависимостта на фототока /ф от
колекторното напрежение при параметър осветеността Ео: /ф —
= К^се)е^о^ (Фиг. 9.15).
215
Основен параметър на фототранзисторите е интегралната чув
ствителност. Германиевите фототранзистори имат максимум на
чувствителността при к= 1,53 pm. Те се възбуждат добре от лам-
па с нажежаема жичка. Така например при осветеност 1000 1х.
създадена от лампа с нажежаема жичка, нагрята до температура
27(Х) К, се получава колекторен ток 0,8—1 mA. Ако осветяваната
повърхност е S = 7 mm2, чувствителността е 110—140 mA/lm.
Поради усилвателните си свойства фототранзисторите имат ин-
тегрална чувствителност, десетки пъти по-голяма от тази на фото-
диодите и около 50 000 пъти по-голяма от чувствителността на ва-
куумните фотоелементи.
У нас се произвеждат силициеви фототранзистори типове
2Ф2101; 2Ф2102; 2Ф2002 и т.н. Те имат следните осреднени пара-
метри: пробивно напрежение UCE0 около 80V; тОк на тъмно, по-
малък от 0,1 рА; фототок от 0,5 до 5mA при осветеност £0= Ю00 1х,
напрежение на насищане 0,4 V; максимум на спектралната харак-
теристика за дължина на вълната — 750 пт и 870 пт (в ин-
фрачервения спектър на границата с видимата светлина); време на
нарастване и спадане на изходния импулс 10 ps.
Голямата чувствителност на фототранзисторите налага въвеж-
дане на допълнителен параметър — шумов еквивалент на свет-
линния поток. Това е минималният светлинен поток, който все още
се отличава от собствения шум на фототранзистора.
За съвременните фототранзистори той е от порядъка на
(50—100). 10 8 1m.
Приложения. Фоточувствителните полупроводникови прибо
ри — фоторезистори, фотодиоди и фототранзистори, намират ши-
роко приложение за измерване, сигнализация, контрол и автомата
зация на производството. Схемното им приложение е разнообраз-
но: като модулатори за преобразуване на постоянно напрежение
216
в променливо, в електронната измервателна техника, във фото-
електронните релета и др.
На фиг. 9.16 е показана схема на фотореле с т.нар. съставен фо-
тотранзистор. Той съдържа два транзистора. Първият е фототран-
Фиг. 9.16
зистор, чийто колекторен, респ. емитеренток, зависи от осветеност-
та. Емитерният ток на първия транзистор е базов ток на втория
транзистор и се усилва пъти:
4'2 =(1 + ^2le)4l •
В емитерната верига на втория транзистор е включена бобината на
достояннотоково електромагнитно реле. Когато фототранзисторът
Т\ е слабо осветен, токът 1Е2 е малък и релето не се задействува.
При определена осветеност токът през бобината достига стойност,
при която релето включва. Контактите на релето ki, k2 могат да се
използуват за включване и изключване на осветление, аларма
и т.н.
Схемата на съставния транзистор може да се направи с дис-
кретни елементи. Съществуват обаче и съставни фототранзистори
в интегрално изпълнение, при което двата транзистора са образу-
вани в общ силициев кристал.
9.3.4. Фототиристори
Разгледаните дотук фотоелектронни прибори имат малка изходна
мощност и електрическият сигнал трябва да се усилва. За разлика
от тях фототиристорите дават на изхода си по-голяма мощност,
която директно може да се използува.
Устройство и принцип на действие. Фототиристорите представ-
ляват четирислойни PNPN структури, управлявани със светлинен
217
поток. В режим на тъмно те по нищо не се отличават от разгледани
те в т. 8.1 тиристори.
Когато се освети слоят Ра (фиг. 9.17а), предизвиква се генерира
не на двойки електрон — дупка и неравновесните електрони преми
пава! през прохода у_> гокьт във B'biirunaia верш а се уве шчава.
Когато токът през емитерния преход достигне стойността на управ
ляващия ток на включване, в структурата се развиват лавино
образни процеси и фототиристорът бързо преминава във вклю
чено състояние. Оттук нататък той работа като обикновен тирис-
тор. При преустановяване на светлинното облъчване структурата
остава във включено състояние. За да се запуши, е необходимо
анодннят ток да се намали под определена стойност, на
речей а ток на изключване.
Фиг. 9.18
динис1 орите, фототирисгорпi
Конструктивного оформление па
фототиристора е показано на
фиг. 9.17е, където / е силициев мо
нокристал, а 2 стъклен про-
зорец.
Характеристики и параметри. На
фиг. 9.18 са показани статичните
характеристики на фототиристора.
Те са подобии на характеристиките
на обикновения тиристор с тази раз
лика, че управляваща величина не
е токът на управляващия електрод.
а светлинният поток Ф. Освен ос-
новните параметри, характерни за
е притежават някои специфични па-
раметри.
Характеристиката на управление представлява зависимостта на
напрежението на включване анод — катод от управляващия свет
пинен поток. При определен светлинен поток Ф„1|п напрежението на
218
включване е равъо на това на обикновения тиристор. За известна
максимална стойност ФП1ах включването на тиристора става при
минимално напрежение, подобно на диод.
Приложения. Фототиристорите се използуват в автоматиката
като електронни ключове, моновибратори, за регистриране и пре-
образуване на светлинно лъчение, в безконтактни релета, в логи-
чески оптоелектронни схеми, в схеми за четене на информация от
перфокарт!! и др.
9.4. СВЕТОДИОДИ И ОПТРОН И
9.4.1 .Светодиоди
Светодиодите са едни от най-перспективниге излъчватели в опто
електрониката. Те са с малки размери, имат ниски захранващи на-
прежения и малка консумирана мощност, отличават се с голямо
бързодействие. Могат да излъчват в обхвата от синия до червения
цвят на видимата светлина и в инфрачервената облает.
Светодиодите се използуват като източници на светлинно лъче-
ние за управление на фоточувствителните приемници в оптроните,
като индикатори на буквено цифрова информация в калкулатори-
те, в устройствата за автоматизация на промишлеността и др.
Устройство и принцип на действие. Светодиодът представлява
PN преход, в който протичането на ток в права посока се съпро-
вожда с процес на светлинно излъчване. Както е известно, за гене-
риране на двойка електрон — дупка в полупроводника е необходи-
мо електронът да погълне определена порция енергия. Обратният
процес на рекомбинация е съпроводен с отделяне на енергия, коя-
то представлява кванти светлина (фотонп). При светодиодите се
използуват рекомбинационните процеси между инжектираните в
базата неосновни и основни токоносители Его защо това явление
на излъчване на светлина се нарича инжекционна луминесценция-
(луминесценция — излъчване на светлина от дадено тяло, възбу-
дено от друг вид енергия).
Светодиодите за видимия спектър и близкая инфрачервен спек-
тър на светлината се правят от галиев фосфид, галиев арсенид и
др. За получаване на желан цвят на светене се прибавят подходя-
щи примеси.
На фиг. 9.19й е показана плоска конструкция на фотодиод, при
която излъчващият N слой е реализиран или чрез дифузия, или
чрез епитаксия. На фиг. 9.196 е показана конструкцията на целия
прибор, а на фиг. 9.19е условного му означение.
Характеристики и параметри. Волт-амперната характеристика
на светодиода е известната характеристика на диод в права посо-
ка. Номиналният ток, при който работят светодиодите, е в граници-
219
те от 10 до 100 гпА за различимте видове. Падьт на напрежението
при тези токове е около 1,5 V. Диференциалното съпротивление
на светодиодите в права посока е много малко — няколко ома.
Ето защо те се захранват от генератор на ток. За целта последо-
вагелно на захрапващою напрежение се пишаня шраннчаващ
резистор, който фиксира тока.
При повечето светодиоди мощностей на излъчване или, което
е все едно, яркостта на светене зависи линейно от тока, протичащ
през диода.
У нас се произвеждат светодиоди тип ЗЕ 1001, ЗЕ 1002 и др.
Изработени са от GaAs и имат следннте основни параметри: по-
стоянен ток в права посока 1Fmax = 100 mA при лад на напреже-
нието (7f = l,75 V; максимално обратно напрежение UR max=3 V;
дължина на вълната за максимално излъчване 800—1000 пт (ин-
фрачервената облает).
9.4.2. Оптрони
Оптронът е оптоелектронен прибор, в който са съчетани в единна
конструкция и евързани помежду си с оптична връзка светлоизлъч-
вател и фотоприемник. Светлоизлъчвателят и фотоприемникът
нямат електрическа връзка помежду си. Поради тази причина
оптронът се нарича още оптически евързан изолатор. Именно то-
ва качество на оптрона определя една от най-широките му сфе-
ри на приложение като галванично развързващ елемент (по подо-
бие на трансформатора).
Посредством оптроните лесно се съгласуват нискоомни с висо-
коомни вериги, високоволтови с нисковолтови, високочестотни с
нискочестотни
Устройство и принцип на действие. Най широко са разпростра-
нени оптроните, използуващи оптронна двойка светодиод — фо-
тотранзистор. Светодиодът обикновено е на основата на GaAs, а
фототранзисторът е силициев. И двата прибора имат максимум в
спектралните си характеристики за X,nax=900 пт.
Много важно условие за правилната работа на оптроните е не
220
само сыласуваността между спектралниге характеристики на из-
лъчвателя и фотоприемника, но и предаването на светлинната
енергия. За предаваща среда се използува въздух или специални
съгласуващи среди, наречени имерсионни: полимерии органични
оптични лакове и лепила, специални стъкла и др.
На фиг. 9.20 е показана структура
на оптично съгласувана оптрбнна
двойка, състояща се от след ните еле-
менти: 1 — излъчвател; 2— имерси-
опна среда (дебелина 15-25 pin).
3 фотоприемник (фотодиод).
Структурата се херметизира в кор
пус. На фиг. 9.21а е показан пластма-
сов корпус, в който се затварят бъл-
гарските оптрини тип 6Н2001, 2111,
112, 113. 017, а на фиг. 9.216 сим-
воличного означение на оптрона.
Характеристики и параметри. На
фиг. 9.22 са дадени статичните ха-
рактеристики на оптрон тип TIL 112
Входната характеристика е твьрде
стръмна и представлява характе
ристика на диод в права посока. //з-
ходните характеристики се различават
ТО
в извести синен от Щзи
при схема ОБ на биполярния транзистор. Не е трудно да се намери,
че коефициентът на предаване по ток от входа до изхода за работ-
на точка А е
К/
Мс
MF
3,5 mA
10 mA
0,35 ^35%).
Динамичният режим и качествата на оптрона каю усилвател
и като ключов елемент са аналогични на тези на биполярните
транзистори. При биполярните транзистори винаги едната входна
и едната изходна клеми са общи. Оптронът има 4 извода, като две-
те входни клеми са електрически изолирани от двете изходни кле-
221
ми. При това изоляционного съпротивление между тях е повече
от 10|Г й, измерено при напрежение 1500 V. По този начин входът
и изходът на оптрона могат да се включат в електричееки вери-
ги, чиито постояннотокови потенциали се различават с повече от
1 000 V.
Фиг. 9.22
Бързодейсгвиего на оптроните се оценява с парамециис врс
ме на нарастване на изходния импулс tr и време на спадане на из-
ходния импулс tp Тези времена варират от 5 до около 100 ps за
различните видове оптрони. С по-голямо бързодействие (времена
222
под 1 jib ) ее отлйчаваг оптроните, при конто като приемник се in
ползува фотодиод.
Българските оптрони тип 6Н2000 имат следните осреднени па-
раметри: /fmax =60 mA, Ц, = 1,5 Н- 1,7 V, URmax = 3 V; UCEmaK =2 V,
/?Стах = 150 mW; А;=0,4; /Г = 5-Т 150 ps; // = 54-150 ps.
9.5. СВЕТЛИННИ ИНДИКАТОРИ
Светлинните индикатора са специален клас прибори, чрез конто
се получава визуално изображение на цифрено-буквена и друга
информация. Те са управляема източници на светлина и според
принципа на преобразуване на електрическата енергия в светлин-
на биват: лампи с нажежаема жичка, газоразрядни лампи (напр.
луминесцентни) и електролуминесцентни (светодиоди). Всички те
се управляват чрез подаване на електрическа енергия към тях и
излъчват светлина, поради което се наричат активна. Специален
клас са течните кристали, конто не излъчват светлина, а работят
с отразена светлина.
9.5.1. Газоразрядни индикатори
Газоразрядните индикаторни лампи използуват катодното све-
тене на самостоятелния тлеет, разряд. Тези лампи са без отопля-
ван катод. Най-широко разпространение намират индикаторните
лампи тип ИН. Идея за консгрукцията на тези лампи е дадена на
фиг. 9.23а, а символичного означение и начинът на подаване на
захранващо напрежение са показани на фиг. 9.236. В балона на
лампата са монтирани 2 анода, свързани накъсо помежду си, и
223
10 катода. Катодите са изпълнени иод формата на цифрите от 0
до 9. Когато захранващото напрежение се подаде примерно към
катода, който е изпълнен под формата на цифрата 3, около метал-
ната нишка се получава тънък светещ ореол, който очертава доста
ярко цифрата 3. Могат да се изпълняват и други знаци, като V,
А, -|- и т. н.
Газоразрядните индикаторни лампи работят при анодно напре-
жение приблизително 140 V. Включеният електрод консумира ток
няколко милиампера.
9.5.2. Катодолуминесцентни индикатори
Тези индикатори представляват електронновакумна лампа с отоп-
ляван катод-. Тук анодите са повече на брой и са изпълнени във
формата на цифра или знак. Всеки анод — сегмент, се покрива с
луминофор. Електронният поток от катода към анода се управля-
ва от обща решетка. Когато се включи анодно напрежение към
даден анод, електронният поток, идващ от катода, бомбардира
неговия луминофор и се получава светене.
Катодолуминесцентните лампи тип ИВ работят с отоплително
напрежение 0,85—1 V, отоплителен ток 30 100 гпА, аноден ток
0,6 —2 гпА и импулсно напрежение на анодите 25—50 V.
Освен едноразредни индикатори се произвеждат и многораз-
редни. На фиг. 9.24 е показан 8-разредният индикатор тип ИВ-18.
_____________________ив-te_______________
f*-#. • Оfi~iTi~ifi~ifi~ifi~ifi।“i71“
Фиг. 9.24
Фш. 9.25
9.5.3. Индикатори със светодиода
Тези индикатори са особено
подходящи за миниатюрни ус-
тройства. Изработват се по тех-
нологиите на интегралните схе-
ми - монолитна или хибрид-
на технология.
Индикаторите със светодио-
ди се изработват или на седем
сегментния принцип, или на
матричния принцип. На фиг.
9.25п е показан седемсегментен
цифров индикатор. Всеки сег-
мент представлява светодиод,
който е източник на светлина —
/, и отразяваща повърхност—2.
224
Чрез сьответни комбинации на светещите сегменти се получава
изображение™ на цифрите от 0 до 9.
Матричният индикатор е показан на фиг. 9.256. Индикаторы
се състои от 35 (7X5) диода (светещи точки). В случая свети гака
на комбинация от диоди, че е получена буквата Б.
9.5.4. Индикатори с течни кристали
Индикаторите с течни кристали могат да се изработват с много
малки размера и консумират незначителна MOimiuci. Lio защо
памират приложение в ръчните цифрови часовници, джобни кал-
кулатори и др.
Течните кристали са междинна фаза между твърдото и течното
тяло. Състоят се от органични молекули, конто имат формата на
пръчици, подобии на пури. Молекулите са разположени й опреде-
лен ред, както при твърдите вещества, но самият кристал наподо-
бява прозрачна течност. Течните кристали имат интересно свойст
но: когато се поставят в електрнческо поле, подреждането на мо
лекулите в кристала се нарушава (преминават в турбулентно със
1ояние). Съответните области придобиват свойство™ да огразява i
иадащата светлина. При отстраняване на електрическото поле
молекулите се подреждат и кристалът отново става прозрачен.
Цифровите индикатори с течни кристали се изработват във вид
па стъклеии пластинки, между конто са поставени течният Крис-
тал и електроди. Когато към съответния електрод се подаде напре-
жение 1,5 V, молекулите се разбъркват, светлината се отразява
от кристала и се очертава конфигурацията на електрода.
Следователно индикаторите с течни кристали работят само на
светлина. При тях протичат само утечни токове, конто са нищож-
но малки Ето защо те са незаменими индикатори за ръчните ча-
совници. „
изводи
ринни и itod\проводников» прибори
225
Въпроси и задачи
I. В коя част на светлинния спектьр (за кой цвят) човешкото око има максимал-
на чувствителност?
2. Какво представляват величнните светлинен поток, иптепзитет на светлината
и осветеност? Каква е връзката между тях?
3. На какви физични явления се дължи изменението на проводимостта на полу-
проводниковите материали при облъчването им със светлина?
4. Какви са основните режими на работа на фотодиодите?
5. Какво представлява величината интегрална фоточувствителност и кои фото-
чувствителни прибори имат най-големи стойности?
6 Начертайте схема на свързване на фототранзистор в динамичен режим. Нане-
сете в полето на статичните характеристики от фиг. 9.15 товарна права за за-
хранващо напрежение £=30 V и R., г = 1,5 kQ. Намерете каква стойност има
полезният сигнал, ако осветеността се измени от 1000 на 4000 1х.
7. Илюстрирайте работата на оптрона в динамичен режим върху статичните ха
рактеристнки, дадени на фиг. 9.22 Изберете по желание работна точка и про
следете как ща се измени изходният сигнал при определена промяна на вход-
ния ток.
ГЛАВА ДЕСЕТА
MHkPOEJI ЕКТРОНИк к
10.1. ПРЕДМЕТ НА МИКРОЕЛЕКТРОНИКАТА. класификация
НА МИКРОЕЛЕКТРОННИТЕ СХЕМИ
10.1.1. Основни определения
Микроелектрониката е облает от електрониката, която обхвата
проблемите на изеледване, проектиране, производство и прило-
жение на микроелектронни изделия.
Микроелектронното изделие от своя страна е електронен блок,
устройство или цяла система с висока степей на интеграция, при
което в малък обем са интегрирани голям брой елементи, прибо
ри, възли и др. Типични микроелектронни изделия са например
електронните часовници и калкулатори.
Интегралната микросхема (ЙС) или само микросхема (МС)
представлява микроелектронно изделие с определена функция
при обработка на електрически сигнали и голяма плътност па
електрически съединените елементи. При изпитвания в врой.»
водството и при експлоатация интегралната микросхема се раз
глежда като единно цяло. Често вместо интегрална микросхем.i
226
се използува терминът интегрална схема(]ЛС). Рьчният цифров
часовник и джобният калкулатор съдържат по една ИС, но цяло-
то микроелектронно изделие има и допълнителни части, като циф-
ров индикатор в първия случай, цифров индикатор и клавиатура
във втория и др.
Елемент на интегрална схема с част от микросхемата, с която
се реализира определена функция — резистор, кондензатор, диод,
транзистор и др Елементите на ИС се изпълняват в кристалл и не
могат да бъдат отделени като самостоятелно изделие.
10.1.2. Класификация
Микроминиатюризацията в радиоелектрониката се осъщесгвява
в три направления: 1) прилагане на миниатюрни и микроминиа-
тюрни дискретни (отделни) елементи; 2) използуване на интег-
рални схеми и 3) създаване и усъвършенствуване на функционал-
ни микроелектронни устройства (функционална микроелектро-
ника).
Микроминиатюризацията чрез използуване на дискретни еле-
менти се състои в конструктивно събиране на миниатюрни и мик
роминиатюрни елементи в малки и с висока степей на уплътнява-
не възли, конто се наричат модули и микромодули.
В интегралните схеми, както бе споменато, се извършва инте-
гриране (събиране) на много елементи в единна неразделима кон-
струкция
Функционалните схеми са микроелектронни устройства, чийто
функционален аналог може да бъде съставен от дискретни еле-
менти, но самите те не съдържат аналози на отделните елементи,
както е при интегралните схеми. Като функционален прибор може
да се посочи пластинка от кварц. Такава пластинка изпълнява
функцията на трептящ кръг, но в нейння обем не могат да се от-
делят области, конто имат функцията на кондензатор, бобина или
резистор. Следователно кварцовата пластинка интегрира функ-
циите на елементите, конто образуват трептящия кръг.
Интегралните схеми, както се вижда от класификацията на
фиг. 10.1, ос своя страна се делят на слойни — А, и полупроводни-
кови — В
Елементите на слойните интегрални схеми се формират на по-
върхността на диелектрична подложка във вид на тънки слоеве.
При полупроводниковите интегрални схеми всички елементи
(транзистори, резистори и др.) се формират едновременно в опре-
делен обем на полупроводникова пластина.
Хибридните интегрални схеми представляват съчетание на тън-
кослойни пасивни елементи и дискретни активни елементи, раз-
положени на обща диелектрична подложка.
Комбинираните (съвместени) ИС са микросхеми, при конто ак-
227
тивните елементи са формирани в полупроводников кристал, след
което са нанесени пасивните елементи във вид на тънки слоеве.
Полупроводниковите интегрални схеми заемат най-важен дял в
производството на микроелектронни схеми и имат най-широко
Фш 10.1
приложение. Според вида на акгпвните елементи полуироводни
ковите схеми се делят на биполярны, и униполярны (MOS).
Приведените дотук класификации са извършени въз основа на
конструктивно-технологични признаци.
Според функционалното си предназначение ИС се делят на
цифрови и аналогови.
Цифровите интегрални схеми обработват информация, която
се предава с помогцта на цифри или цифрови кодове. Най-широко
разпространение намира двоичната система, при която цифрова-
та информация се представя чрез комбинации от логическа еди-
ница и логическа нула. За целта активните елементи в цифровите
интегрални схеми се използуват като електронни ключове, конто
преминават от изключено състояние (примерно логическа ну-
ла) във включено състояние (логическа единица) или обратно.
Цифровите интегрални схеми са елементната база на електронно-
изчислителната техника.
Към аналоговите интегрални схеми спадат тези ИС, конто об-
работват и преобразуват аналогови сигнали (сигнали, конто се
изменят с времето по законите на непрекъснатите функции). Час-
тей случай на аналоговите ИС са ИС с линейна характеристика
на предаване, конто се наричат линейни ИС. При линейните ИС
транзисторите работят в активен режим и могат да се разглеждат
228
като линейна четириполюсници. Основного им приложение е да
усилват електричееки сигнали.
Специален клас схеми, конто заемат междинно място и осъщест
вяват връзката между аналоговата и цифровага схемотехника,
са аналогово-цифровите и цифрово-анилоговите преобразуватели.
От всичко изложено дотук става ясно, че микроелектроника-
та дължи развитието си на съвместните постижения на физиката,
която разкрива, изучава и дава насоките за приложение на раз-
личии физични явления в твърдото тяло, химията, която създа
ва технологии за получаване на необходимите структури, и елек-
грониката, която изучава електрическите свойства, характеристи
ки, параметри и решава всички проблеми по схемотехнического
проектиране на ИС. Следователно създаването на всяко микро-
електронно изделие може да се разглежда в три аспекта: физичен,
технологичен и схемотехничен
10.2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧНИ ОСОБЕНОСТИ
НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИТЕ ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
Редица въпроси от технологичната страна на микроелектроника-
га бяха разгледани в т. 3.8. Съвременното производство както на
дискретни полупроводникови прибори, така и на полуироводни
кови ИС е основано на груповите технологии, при конто върху
изходната пластина чрез последователни технологични операции
се създават необходимите слоеве едновременно за всички прибо-
ри. След това пластината се нарязва на отделни пластинки (чи-
пове), конто иредставляват или дискретният прибор, или инте
гралпата схема. Основните операции при създаване на чипа са:
дифузия, епитаксия и йонна имплантация, окисляване, фотолито-
графия, метализация, почистване и др. В зависимост от конкрет
ното микроелсктронно изделие някои от операциите може да лип
сват (йонната имплантация например), а други се повтарят не
колкократно (дифузия, окисляване, фотолитография, почистване)
Както бе споменато, полупроводниковите ИС според вида на
основная активен елемент (транзистора) биват биполярна и MOS
интегрални схеми.
10.2.1. Активни елементи в биполярните ИС
На фиг 10.2 са показани познатите ни структура на NPN гран
зистори и диод, изпълнени на обща подложка. Колекторите на
транзисторите заедно с катода на диода се памират в един и същи
слой и следователно са електричееки евързани помежду си. Но в
реалните схеми транзисторите и другите елементи се евързват в
определена конфигурации, за да се получи необходимата функ-
ционалност (предназначение) на схемата. Оттук възниква и пър-
вият специфичен проблем за изоляция на елементите един от
229
друг, така че впоследствие да могат да се свържат чрез метализа-
ция в необходимата електрическа схема.
Изилацията между елементите в интегралните схеми се осъ-
ществява по два основии метода: изолацпя с обратно поляризи-
(изолиращРЫ прехоВ)
б)
Фиг. 10.3
Хоризонтално
площадка на еОин
транзистор
ран Р.\ проход (дподиа изолацпя/ и изилация сдиелектрик. Ирин
циннотези методи па изилация са илюстрирани на фиг. 10.3 и 10.4.
На фиг. 10.3а, б е показана структура с диодна изолсщия между
елементите. Самите транзистори с трите NPN области са получе-
230
ни върху Р подложка, така че между колекторите им се образу-
ват PN преходи, еквивалентни на два насрещно свързани диода.
Когато на подложката се подаде най-ниският потенциал от всич-
ки захранвания, анодите на изолиращите диоди са винаги по-
отрицателни и следователно
диодите са запушени. Не-
достатъкът на този метод
е, че все пак през диодите
тече някакъв обратен ток
и изолацията по постоянен
ток не е идеал на. А за про-
менливия ток капацитети-
те на изолиращите PN пре-
ходи осъществяват извест-
на капапитивна връзка
между колекторите.
На фиг. 10.4 е показана
изолацпя с диелектрик, при която утечного съпротивление е с 3
5 порядъка по-голямо от това при диодната изолация, а капацитив
пите връзки - с около порядък по-малки.
Използуват се и методи на комбинирина изолация (например
при изопланарните структури).
10.2.2. Активни елементи в MOS интегрални схеми
На фиг. 10.5 е дадена вертикалната геометрия на два съседни
транзистора от MOS интегрална схема. Както се вижда, в самата
структура между тези транзистори са образувани два насрещно
свързани PN прехода, конто осъществяват необходимата изо-
лация между слоевете, формиращи отделните транзистори. Следо-
вателно тук не се налагат допълнителни технологични операции
за изолация. Това опростява
технологията. Липсата на до-
пълнителни изолиращи слоеве
позволява да се вместят на еди-
ница повърхност по-голям брой
прибори. Това определи по-го-
ляма степей на интеграция на
ИС с MOS транзистори спрямо
тези с биполярни транзистори.
Освен това, като се сравнят
структурата на MOS транзисто-
Фиг. 10.5
ра от фиг. 10.5 и тази на биполярния транзистор от фиг. 10.4, се
вижда, че структурата на MOS транзистора е значително по-еле-
ментарна и се получава с по-малък брой технологични опера-
ции.
231
10.2.3. Пасивни елементи в полупроводниковите ИС
В полупроводниковите интегрални схеми могат да се реализират
само резистори и кондензатори. Осъществяване на индуктив-
ност е възможно чрез тънкослойна технология, и то в доста огра-
ничен обхват на стойностите.
Резисторите в полупроводниковите ИС се създават чрез ло-
кална дифузия на примеси в отделни изолирани островчета. По-
гледи на структурата във вертикален разрез (вертикална геомет-
рия) и отгоре (хоризонтална геометрия) под изолиращия слой
от SiO2 са показани съответно на фиг. Ю.ба.б.
Операцията дифузия се извършва едновременно с дифузията
за създаване на базовите и емитерните области на транзисторите
в цялата интегрална схема. При емитерна дифузия се създаваз
резистори с малки снецифични съпротивления, а при базова ди-
фузия се създават резистори със средни стойности на специфични-
те съпротивления.
Съпротивлението на дифузните резистори се определи със след-
ния израз:
на температурата
където (> е средното специфично съпротивление в дифузната
облает;
/ дължината на слоя, образуващ резистора,
оу широчината иа същия слой;
d дълбочината на дифузията в слоя, която е функция
и времетраенето на дифузния процес
В последно време все по-голямо
приложение намират т. нар.
йонноимплантирани резистори.
Кондензаторите в биполярните
интегрални схеми се реализират
чрез PN преходи. Както е известно
от т. 3.7, преходът, поляризиран
в обратна посока, има определен
капацитет и може да се разглежда
като кондензатор.
В описаните дотук структури на
активни и пасивни елементи в ин-
тегралните схеми не бяха засегна-
ги въпросите за неминуемого полу
чаване на наразинш елемеши. Така например в структурата на
резистора от фиг. 10.6 лесно може да се открие един транзистор
PNP, както и други разпределени R и С елементи в слоевете и меж-
ду тях. Тези паразитни елементи трябва да се вземат предвид от
конструкторите на интегрални’ схеми, така че при проектирането
Р-Област контактна
। плои,
с> =а
____________С/5 Sl.cm
Рлитахсиален силициев
слой Р ”iun
Фш. 10.6
232
да се изключи тяхното влияние вьрху нормалната работа иа цяла
та схема.
10.2.4. /Легализация, запояване на изводи и монтиране в корпус
След нриключване на всички операции по създаване иа слоеве-
те в границите на всеки чип се формират определен брой елемен
ги, изолирани един от друг. За да се получи функционираща ИС,
е необходимо да се осъществи електрическа връзка между тях в
соответствие с конфигурацията на електрическата схема. Това
става чрез фотолитография и нанасяне на метални токопровеж-
дащи слоеве.
След металчзацията се извършва нарязване (скрайбиране) и
се получават отделяйте чипове на интегралните схеми. Тези чипове
се затварят в корпуси, като предварително се монтират върху ос-
новата на корпуса (фиг. 10.7) и се осъществяват връзки с тънки
златни нишки между изводните площадки на чипа и съответните
изводи на корпуса. Запояването на нишките (бондирането) се из-
вършва с термокомпресия или ултразвукова техника.
На фиг. 10.8 е показана конструкция на металостъклен корпус,
а на фиг. 10.9 - пластмасова конструкция. По репера, означен
на корпусите, потребителях се ориентира към кой извод коя точка
от схемата е свързана.
10.2.5. Хибридни интегрални схеми
Хибридната интегрална схема представлява диелектрична под-
ложка, върху която чрез слойна технология се нанасят пасивни
елементи R, С и L в зависимост от електрическат^, схема и се
монтират чипове на активни елементи — транзистори и полупро-
водникови интегрални схеми (фиг. 10.10). Според дебелината на
/ Резистор
2. детализация
3 Транзистор
Фиг. 10.10
Фиг. 10.11
4 ФИ1 10 12
А Фиг. 10.13
слоя, в който се формират пасивните елементи, се различават гън-
кослойни и дебелослойни схеми.
На фиг. 10.11 е показана конфигурация на слоен резистор. Вър-
ху диелектричната подложка е нанесен тънък слой от съпротиви-
телен материал — Cr, NiCr и др. Стойността на съпротивление-
234
io се определи oj геиметричните размери на копфш урацпяга и
специфичного съпротивление на материала. ЛХного често вместо
линейна форма на сънротивителния слои се използува зигзагооб-
разна (меандрова).
Структура на слоен кондензатор е показана на фиг. 10.12.
Двата метални слоя / и 2 представляват плочите на кондензато-
ра. Те са разделени с диелектричен слой 3.
На фиг. 10.13 е показана хоризонталната геометрия на бобина,
реализирана по слойната технология. Поради ограничения в пло-
щите на микроструктурата тези бобини са с малки индуктив-
ности — примерно на площ 25 mm2 не повече от 200- 500 пН. Ето
защо практически почти не се използуват.
10.3. АНАЛОГОВИ ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
10.3.1. Класификация на аналоговите интегрални схеми
Аналоговите интегрални схеми според функционалисте еи пред-
назначение са твърде разнообразии.
Тези. конто са предназначени за устройства с приложения в
науката и промишлеността, се определят като ИС с индустриал но
предназначение. Изискванията за тя.хнага надеждноет са високи
и те се подлагат на специални изпитвания и тренировки.
Друга трупа ИС са предназначени за битови апаратури. Изиск-
ванията за безотказна работа при тях са сравнително по-малки.
Произвеждат се специализирани ИС за радиоприемници и теле-
визори. Така например в съвремеините телевизионни приемни-
ци се използуват три основни специализирани ИС.
Обнкновено ИС се произвеждат в серии. Всяка серия съдър
гка определени типове ИС, конто изпълняват различии функции,
но са предназначени за съвместна употреби.
Според функционалното си предназначение аналоговите ИС
се делят на: усилватели (включвателно и операционните усилва-
тели), компаратора, генератора, детектори, аналогови ключове,
аналогови запомнящи устройства, източници на напрежение (ста
билизатори) и др.
Разглеждането на всички тези схеми не е предмет на настояща
та дисциплина. За да се илюстрира същността на предимствата
на микроелектронните изделия в областта на аналоговата схемо-
техника, тук са дадени никои основни характеристики и приложе-
ния на най широко разпространениге аналогови ИС -опера
ционните усилватели (ОУ).
10.3.2. Основни характеристики и параметри иа ОУ
Терминът операционен усилвател се появява във връзка с анало-
говите изчислителни машина, в конто усилвателите при спениал-
235
ни свързвания се използува! за изв ьршванс на определени маге
матически операции (събирапе, изваждане, умножение, диферен-
циране, интегриране и др.). След като се организира производст-
вото им в интегрални изпълнения, операционните усилватели ста-
наха част от изделията на микроелектрониката с най-универсал-
но приложение като: усилватели на бавно изменящи се сигнали
и иериодични- сигнали в широка честотна облает, компаратори,
генератори, тригерни схеми, диференциатори, интегратори и др.
От схемотехническа гледна точка ОУ представлява многостъ-
пален усилвател с постояннотокови връзки между отделните стъ-
пала. Различните ОУ съдържат от 10 до около 30 транзистора.
Операционните усилватели могат да усилват както постоянни,
гака и променливи сигнали. Горната честотна граница на усилва-
ните сигнали зависи от типа на ОУ. Произвеждат се специални
бързодействуващи ОУ. с конто се усилват сигнали с честоти от
порядъка на десетки мегахерци.
Транзисторите в ОУ се изпълняват но биполярна или MOS тех-
нология. Във втория случай операционните усилватели се отли-
чават с по-голямо входно съпротивление.
Всички линейни интегрални схеми, включигелио и ОУ, обикно-
вено работят в режими, при конто работните точки са в активна-
та облает от статичните характеристики на транзисторите в ИС.
236
Връзкага между, входного напрежение и усиленото изходио на-
прежение е линейна, откъдето произхожда и наименование™ на
тези схеми.
На фиг. 10.14 е илюстрирана работала на транзистора като
усилвател на променливи сигнали за две амплитуди на входния
сигнал. За по-малкия сигнал, изобразен с пльтна линия, входният
ток се разколебава около работната точка с амплитуда от /й5 до
/йз. Като се проектира чрез товарната нрава върху оста на по
лучава се изменението на изходния сигнал, с отрицателна и поло
жителиа нолувълна, симетрични спрямо нулата. Следователно
връзкага между входния и изходния сигнал в ими учат ьк на ра-
бота е линейна и схемата работи като линеен усилвател. Не
стоят гака нещата обаче при сигнал с но-голяма амплитуда, по-
казан с прекъсвана линия. За моментии стойности на входния сш
пал, непревишаващи тока /й5а|, връзкага все още е линейна (ста-
тпчпите характеристики тук са идеалпзирани като участъци с
ирави линии). Оттам нататък обаче, както се вижда от пресечната
точка на товарната права с липията на насищане па характе-
ристикиге, колекторният ток, респ. колекторното напрежение. ново
че не се изменят. Линейните интегрални схеми се проявява! като
линейни усилватели само до такива амплитуди на входннте сигна
ли, до конто нпто един транзистор от схемата не е достигиал ре-
жим на насищане или отсечка.
Условного графичпо означение па линеен усилвагел е показано
на фиг. 10.15, а на ОУ на фш 10 16. В най-общия случай ОУ
може да се означи както на фиг. 10.15.
На фиг 10.17 е показана еквивалеитната схема на ОУ за писки
честоги. Входни гс величини на ОУ се означават с индекс /1input
вход), а изходните с индекс о (output изход). Входното со-
противление R, на ОУ има много големи стойности стотици ки
лоомове до стотици мегаомове Големи стойности има и коефи-
циентът на усилване по напрежение .1 =10004-1000 000, а
изходното сопротивление R,, е малко 50— 150 Q. Затова чеего
анализиге се извършват. като се приема /?,= оо и /•!,, — (). В този
случай се казна, че ОУ е идеален
Операционная г усилвател има още една стлцествена особенос.
Той е прибор с два входа. Входът, означен с « + », се нарича не-
инверзиращ. а този с« -» - ин вер тира щ Връзката между изход-
237
ното напрежение и напреженията, конто се подана! на двага вхо-
да, е
(10.1) U„=A (Ui+ — Ui )—А . U
Ако U^ = Ur в идеалния случай t/u = 0.
Ако U, =0, a U? =т*=0, то [/„ = A.Ui\ т.е. изходното напрежение е
във фаза с входното.
23«
Ако обаче (Л+-=0, a Hi то t/„= —A.U, знакъг минус оз-
начава, че изходното напрежение е в противоположна фаза на
входното.
Двата входа на ОУ го правят твърде гъвкав за приложение. Ако
се подаде входен сигнал на вход ф-, фазата в изхода се запазва,
ако се подаде на вход —, тя се обръща на 180°. Ако се подадат
сигнали и на двата входа, усилвателят усилва тяхната разлика.
На фиг. 10.18 е показана характеристиката на предаване на опе-
рационен усилвател — Ua;=f(Uir — Ut ) = f(L/,l'). Тя е права линия
до участъците на насищане. ОУ се използува като усилвател в ли-
нейната облает.
10.3.3. Приложение на операционный усилвател
Онерационният усилвател може да се използува в практиката, без
да се познава в детайли неговата електрическа схема. Необходи
мо е да се знаят основните параметри, дадени в справочниците,
и какви връзки трябва да се направят на никои изводи на ИС (за
хранване по постоянен ток, вход, изход, корекции и т.н.).
В усилвателни схеми ОУ винаги работи с отрицателни обратни
връзки. Чрез тях част от изходната мощност на полезния сигнал се
връща отново във входната верига, но така, че се изважда от вход-
ния полезен сигнал. Така се намалява коефициентът на усилване,
но се стабилизира неговата стойност. При определени условия
усилването престава да зависи от параметрите иа ОУ, а се опре-
деля от резисторите, включени във външната верига на отрица-
телната обратна връзка. Ще илюстрираме това с широко разпро-
странената схема на неинвертиращ усилвател, показана на фиг.
10.19. На фигурата са дадени полярностите на сигналите във вери-
гите на усилвателя. За положителния входен сигнал в изхода
ще се получи положително напрежение Uo- Една част от него t/p =
р
= ———L/„ се връща към другия вход, така че
Ri + R-2
Както се вижда, напрежението На е разликата от двете напреже-
ния, което означава, че обратната връзка е отрицателна.
За изходното напрежение може да се напише
UO=A (U+-Ur)=AL/+ -AU., ---
’ Ri+Rs
Оттук
Uo=-----------1/,+
>+Л^-
при Л*-ос
(10.2)
г I R1 + R-2 f I +. ь- R' Т #г
239
Ако /?, = lkQ; A’2=100kQ, то A't,= 100.
В случай че Ai = oo, т.е. не се ностави Ri, изразът (10.2) се
трансформира, както следва:
(Ю.З) A'l, = + 1
Фш. 10 1!)
Гака се нолучава втората основна схема на евързване на ОУ, на-
речена схема повторится, аналогична на емитерния повторител за
едностъиален усилвател.
На фиг. 10.20 е показана третата схема на свьрзване на ОУ
схема на инвертиращ усилвател. В този случай усилването е
(10.4) А1=—=_
и,
Нека нрисмем /?2 =
Кг
Ri
/?i и А'( — 100 Ако на входа се подаде chi нал
240
(J/R"== 10' 'nW,''И 4'7 J, «4-4 \МДа шрквыем-cr>WiO,
че ОУ има реален" коефициент на усилване А = 100 000. От това
следва. че на диференциалния вход на ОУ постъпва напрежение
(Jd = -^-= -У. =1.10 5V=10 pV. Поради това, че напреже-
нието на диференциалния вход е много малко. често то се приема
за нула, което оиростява пресмятането на различимте схеми.
10.4. ЦИФРОВИ ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
10 .4.1. Определения и класификация
! 1роизводството на цифровите интегрални схеми превъзхожда
ио обем аналоговите. Това се дължи на бурното развитие на елек-
тронноизчислителната техника и цифровите методи за приемане,
обработка и предаване на информация, за регулиране и управле-
ние на технологиями процеси и т.н.
В цифровите схеми за разлика от аналоговите активните елемен-
ти се намират винаги в едното от двете крайни състояния: напълно
отпушени (в наситено състояние) и напълно запушени (режим на
отсечка). Тези две възможни състояния са показани с работайте
точки М и N на фиг. 10.14. През активната облает работната точка
на транзистора се движи само при преходния процес на премина-
ване от едното в д рут ото състояние. Когато се приеме едното със-
тояние за логическа 1 — примерно висок потенциал на колектора
(т. М), а другото състояние — за логическа 0, вижда се, че тран-
зисторните схеми, работегци в такъв режим, могат да обработват
двоична информация.
Микроелектронните цифрови схеми могат да се класифицират
по различии признаци.
Според вида на използуваните транзистори те биват биполярна
и униполярна. Първите са по-бързодействуващи, а при вторите
технологията на получаване е по-проста и степента на интегра-
ция — по-голяма.
Класификацията на цифровите интегрални схеми по функциона-
лен признак е следната:
интегрални логически елементи;
тригери;
— броячи;
регистри;
— шифратори, дешифраторы;
— запомнящи устройства.
Тенденция в развитието на микроелектрониката е сьздаването
на микроелектронни изделия с все по-голяма функционална слож-
ност и с по-висока стелен на интеграция.
16 Елешроннн и полуироводникиви прибори
241
В табл. 10.1 е дадена классификация на цифровите схеми сии
ред броя на интегралиите елементи върху един чип.
Таблица 10.1
Брой на интегралиите елементи 1 4- 10 Ю-е ю’ ю2-г 10’ над 101
Стелен на интеграция ниска средна висока свръхвисока
Площ на чипа, mm2 34-3,5 над 3,5
Наименование обикновени ИС големи (ГИС)
10 .4.2. Булеви функции и елементарни логически схеми
Общи сведения за булевата алгебра. Основно понятие на булевата
алгебра е булевата функция, която се дава с израза
(1 0.5) Г = /(А |. Ац. . А'„).
В израза както аргументите Х|. А?. Х,„ гака и самата функ-
ция У могат да заемат само две стойности: 0 или 1. Тези стойкости
се наричат логически 0 и логически 1
Съвкупността от стойностите на тези аргумента се нарича набор.
При п=1, т.е. при наличието само на един аргумент, съвкуп
ността от възможните стойности на аргумента е 0 и 1, т.е. наборът
от аргументи Z(X) се състои от 2 комбинации: Z(A)=2" = 2' = 2.
Но самата функция Y за всяка стойност на аргумента може да
получи стойност 0 или 1. С други думи, броят на различните булеви
функции Z(Y) зависи от броя на аргументите, както следва:
(1 0.6) Z( У')=2г(Х) =(2)2".
При и= 1 се получава Z(Y)=4, т.е. наборът на булевите функции
се състои от 4 комбинации:
X 0 I
О О
У 0 1
1 О
1 1
Пай-голям интерес предизвиква третата комбинация, при която
булевата функция У придобива противоположни стойности на ар-
гумента Тази функция се нарича инверсия (отрицание), а логи-
242
ческата схема, с конто се осьществява - инвертор или логически
схема НЕ (NO)..
Когато броят на аргументите е /1 = 2, наборът от комбинации е
Z (Х) = 2'2 = 4. Те са следните:
А (10 0 11
А\|0 1 0 1
За всяка една от тези комбинации функцията F може да добие
две стойности:0 или 1. Следователно броят на различните булеви
функции е
Z(E)=2Z(X)=24=16.
Тези комбинации са дадени в табл. 10.2.
Таблица 10.2
Основни логически схеми.Схемите, с конто се реализират раз
личните булеви функции, се наричат логически схеми.
Всички логически схеми, реализиращи операциите за 16-те буле-
ви функции па 2 аргумента, могат да се съставят с 3 основни схеми:
И, ИЛИ и НЕ. Нещо повече, доказва се, че всички логически схеми
могат да се съставят с комбинации от елементите ИЛИ и НЕ или И
и НЕ, затова тези комбинации се наричат функционално пълни сис-
243
1еми 01 елементи. Това обстоятелство позволява голяма гъвкавост
при създаването и използуването на логическите схеми в интеграл-
но изпълнение.
Логическите схеми се изпълняват с различии градивни елементи,
норади което се говори за: диодно-резисторни, транзисторна логи-
чески схеми (TL), диодно-транзисторна логика (DTL), транзис-
торно-транзисторна логика (TTL), резисторно-транзисторна логи-
ка (RTL) и инжекционни схеми (12L)
В табл. 10.3 са дадени наименованието, математичният завис,
габлицата на състоянията на аргументите и функцията и услов-
ното означение на основните логически схеми.
Инвертор. Схема НЕ или инвертор се реализира твърде лесно с
едностъпален транзисторен усилвател, за който се знае, че обръ-
ща фазата на усилваното напрежение (фиг. 10.21). Когато на
входа на това стъпало се подаде определен положителен потен-
циал (логическа 1), транзисторът се отпушва и преминава в на-
ситено състояние. В този режим напрежението U„ е минимално
(0.2 0,3 V), което сьответствува на логическа 0.
Когато на входа на стъпалото липсва напрежение (логическа
0), транзисторът е запушен и в изхода се установява напрежение,
равно на захранващото напрежение Е(: (логическа 1).
Схема И (операция логическо умножение — конюнкция). От
табл. 10.3 се вижда, че функцията У = Х| . е произведение на
аргументите. Тъй като аргументите могат да заемат само стой-
ности 1 или 0, функцията ще имат стойност 1 само за комбинация-
та, при която и двата аргумента имат стойност логическа 1 (вж.
таблицата на състоянията).
Изпълнение на схема И с диоди и резистори (диодно-резистор-
на логическа схема) при три аргумента е показано на фиг. 10.22а.
Ролята на аргументите Xt, Х2, ХЛ тук се изпълнява от напрежения-
та Un, U\2, Ui.i. Когато и трите диода са
заиушени, се получава изходно нанреже-
А ние е
О
Това състояние на изходния потенциал
гх ° сьответствува на логическа 1.
| От (10.7) и условието за запушване на
диодите следва, че логическите единици
на входовете трябва да бъдат представени
от положителни напрежения
Фш '°2' -R-2 - UM,
където UM е напрежението на отиушване на диодите.
Ако ионе едно от входните напрежения е 0 (логическа нула),
съответният диод е отпущен и шунтира резистора R2 — в изхода
се получава състояние логическа 0.
244
Таблица 10 3
Наименова ние на функцията (операцията) Мате мати- чен зап ис Таблица на състояинята Логическа схема Символично означение
БД С 8212 74 Други означения
Инвер сия (от- рицание) У=Х X 0 1 НЕ
У 1 0 (NO) X — LH X — Y
Конюик Л, о | |
ция (ло- ------------
гическо У = Х, Х2 Хг 0 1 0 1 И
ум ноже-----------------------(AND)
ние) У 0 0 0 1
Дизкшк- ция (ло- У —Xi + гическо 4- Х2 сумира- не) X, 0 0 11
Х2 0 10 1 (OR)
У 0 111
Xi- 1
X,
ИЛИ НЕ У = —
(опера- = Xi+X2X2
ция на —
Пирс) Y
0 0 1 I
-----—ИЛИ НЕ
0 10 1 (NOR)
10 0 0
ИНЕ
(опера-
ция на
Шефер)
X, 0 0 1 I
Y ==-------------И НЕ
= Х,Х2 Х2 0 10 1 (NAND)
Логиката. при конто логическата единица се представя с по-
високи потенциали спрямо логическата 0, се нарича положится
на логика. В обратния случай логиката е отрицателна. Така
например, ако схемата на фиг. 10.22 се захрани с отрицателно на
прежение - Е и се обърнат диодите, ще се получи схема с отри-
цателна логика, при която за логическа 1 се приема по-отрица-
телният потенциал.
У 1 1 1 О
245
На фиг. 10.226 е показана елекгрическа схема, еквивалентна
на схема И. Електрическата лампа ЕЛ ще светне (логическа 1)
едва тогава, когато и трите ключа са затворени (логически еди-
ници на аргументите А, В, С).
Фш 10.22
Схема ИЛИ (операция логическо сумиране - дизюнкция). При
логического сумиране е достаточно само един от аргументите да
има стойност логическа 1 и функцията придобива стойност I (или
Х)=1, ИЛИ %2=1, ИЛИ
Реализацията на схемата ИЛИ с диодно-резистор на логика е
показана на фиг. 10.23о. В случая логиката е отрицателна. Ако
само едно от напреженияга на входа придобие отрицателна стой-
ност (логическа 1), сьотвешият диод се отцушва и този потенциал
се подава в изхода. На фиг. 10.236 е показана електрическа схема,
еквивалентна на схема ИЛИ — достатъчно е само един от буто-
ните А, В, С да бъде натиснат (логическа единица), за да светне
електрическата лампа (логическа единица).
24 о
Схеми ИЛ И-НЕ и И-НЕ. Таблицата на състоянията за двете
схеми се получава чрез инвертиране на стойностите на изходната
функция на схеми ИЛИ, съответно И (замяната на нулите с еди-
ници и обратно). Очевидно чрез последователното евързване на
Иходобе
Изхос
две схеми ИЛИ и НЕ и И и НЕ ще се получат схемнге ИЛИ НЕ
и И-НЕ.
На фиг. 10.24 е показана схема ИЛИ НЕ (NOR), изньлнена
с резисторно-транзисторен елемент (интегрално изпълнение).
Математичният запис на функцията, която се реализира, е
1 = X । ~Е Xi -f-. . . + Хп .
Работи се с отрицателна логика. При X, = Х-> = . . = Х„ = 0
(липса на сигнал на който и да е вход) транзисторът е запушен
от 4-Ен и на изхода се получава напрежение — Е(. (логическа 1).
Ако на който и да е вход се подаде логическа 1 (схема ИЛИ),
транзисторът се отпушва и инвертира сигнала в изхода се по
лучава логическа 0.
На фиг. 10.25 е дадена схема И-НЕ (NAND). Математичният за
нис на функцията е
т=х1.х2. х„
Тази схема е съчетание от логическа схема И (диоду £)ь . . . , О„,
резистори Ro, R, източници Ео, Ев) и инвертор, реализиран с тран
зистор. Когато всички диоди Di, . . . , D„ са запушени, т. е. на
всички входове е подадена логическа единица, само тогава диоди-
те D', D" се отпушват, падът върху резистора R отпушва тран-
зистора и в изхода се получава логическа 0.
10.5. TTL ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
Най-широко разпространени от цифровите ИС, пронзведени по
биполярна технология, са схемите с транзисторно-транзисторна
логика. Те са изпълнени изключително с NPN транзистори.
247
10.5.1. Принцип на действие на основни TTL елементи
Основният TTL елемент, чрез който се реализират различните
логически схеми, е съставен от последователно свързване на схе-
ма И с инвертор. Следователно той реализира операцията И НЕ.
Схемата И представлява многоемитерен транзистор, чиято вер-
тикална геометрия е показана на фиг. 10.26а. Електрическият му
еквивалент е обграден с прекъсвана линия на фиг. 10.266. На съ-
щата фигура базата на транзисторите е захранена с Ц-5 V, а към
колекторите е свързан товарен резистор /?т. Трите емитера пред-
ставляват входовете на логическата схема. С първия вход е по-
казано принципно как се реализират логическа 1 и 0 на входа чрез
транзисторен ключ Т4- Когато Т4 е отпушен, емитерът на 7| се
свързва към маса и това съответствува на подаване на логическа
0 на входа. Когато Г, е запушен, емитерът на Tt се свързва към
потенциал -f-5 V. По аналогичен начин се управляват и остана-
лите входове.
248
Нека предположим, че входът на който и да е от трите тран
зистора е свързан към маса (логическа нула). Тогава неговият
емитерен преход е отпушен и транзисторът се установява в режим
на насищане. В този режим напрежението UCE = Uol =0,1 —0,2 V,
което съответствува на логическа 0. Следователно, когато на кой-
то и да е от входовете се подаде сигнал логическа 0, в изхода се
получава също логическа 0.
Логическа 1 в изхода може да се получи само ако към всички
емитери се подадат логически единици, т. е. напрежение +5 V.
В този случай всички емитерии преходи се запушват и се отпуш-
ват колекторните преходи, като колекторите играят ролята на
емитери (инверсно свързване на транзистора). Тогава в изхода се
установява напрежение, съответствуващо на логическа единица:
t/<7=5V-3 1BRB-UCE.
В този случай UCE е равнозначно на напрежението на насищане
на един PN преход и е от порядъка на 0,6 V. Обикновено RB се
подбира така, че логическата 1 има стойност от порядъка на ня-
колко волта.
На фиг. 10.27 е дадена електрическа схема на основния логи
чески елемент И-НЕ. При нея в изхода на многоемитерния тран
зистор е свързан сложен инвертор, съставен от транзисторите Т2,
Тз и Т 4. Когато в изхода на Tt е установена логическа 0, тран-
зисторът Т‘2 е запущен, тъй като напрежението 0,1—0,2 V е не-
достатъчно да отпуши
емитерния преход на Т2.
Тогава базата на е
свързана към маса през R-з
и Тц е запушен. В същото
време базата на Тз е свър-
зана към 5 V през Ri и
Тз е отпушен. Напреже-
нието Uo се установява на
стойност 2 V^[/o<5 V,
което съответствува на ло-
гическата 1. В обратния
случай, когато в изхода на
Т। се установява логичес-
ка 1, транзисторът Т2 се
отпушва, Т4 също се от-
пушва, а Тз се запушва. В
изхода на ИС се установя-
ва логическа нула, съот-
ветствуваща на напрежение £До) = 0,1 4-0,2 V. Диодът D в този слу-
чай подпомага установяването на стабилно запушено състояние
на Т3.
249
10.5.2. Основни параметри на TTL схемите
Параметрите на цифровите схеми въобще и на TTL елементите
в частност могат да се разделят на две групи: статична и динамич-
на. Статичните параметри са за постоянен ток и са свързани с
входната, изходната характеристика и характеристиката на пре-
даване от входа към изхода на елемента.
С характеристиката на предаване са свързани основни пара-
метри, определящи нивата на логическите нули и единици за вхо-
да и изхода. На фиг. 10.28а е показана примерна характеристика
на предаване, която дава зависимостта на изходното напрежение
Uv от входного Ц. Преходът от логическата 1 (3,5 V) в изхода
към логическата 0 (около 0,2 V) е твърде стръмен, като зависи от
Фиг. 10.28
косфициента на усилване на схемага, чииго транзистори за юзи
участък се намират в активен режим. Поради неизбежни техно-
логични разлики при производството се налага да се нормира об-
ластта, в която трябва да е разположена предавателната харак-
250
юристика. Гя се ограничава от следните величини на входните и
изходните логически нули и единици:
^oiraa» — максимално ниво на логическата 0 на изхода (low
ниско ниво);
_ минимално ниво на логическата 1 на изхода (high-
високо ниво);
Д/£шах — максимално ниво на логическа нула на входа;
Ц/zmin — минимално ниво на логическа 1 на входа.
Логическите нива на входа и изхода са показани на фиг. 10.286.
Минималното ниво на логическата 1 в изхода иоцтт е винаги
по-голямо от минималното ниво на логическата 1 във входа
В случая тази разлика е 0,4 V. Това осигурява сигурно задей-
ствуване на TTL схемите при последователното им евързване. И
наистина нека в изхода на една TTL схема е получена минимал-
на стойност на логическата 1, равна на 2,4 V, и това ниво, пода-
дено към входа на следвагцата ИС, трябва да превключи схемата
в състояние 0 на изхода. Тъй като нулево състояние се гарантира
в изхода винаги когато входното ниво е по-високо от 2 V, прев-
ключването на схемата е гарантирано със запас от 0,4 V. Този за-
пас определи и шумоустойчивостта на схемата: смущаващи на
прежения до 0,4 V не са в състояние да превключат лъжливо из-
хода на схемата към логическата 1.
По аналогичен начин стой въпросът и с ниските входни и изход-
ни нива: и,, тах е по-голямо от До/.П1ах с 0,4 V. При производството
на интегрални схеми се извършва стопроцентова проверка по тези
статични параметри и когато стойностите им не удовлетворяват
зададените норми, изделията се бракуват.
Динамичните параметри на цифровите ИС определят тяхното
бързодействие и са свързани с преходните процеси при премина-
ване от едно в друго логическо състояние. Времето на изключване
и на включване аналогично както при транзистора определи мак-
сималната честота на включване на схемата.
10.6. MOS И CMOS ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
10.6.1. MOS интегрални схеми
MOS интегралните схеми се отличават с по-проста технология и
по-малка консумация от TTL схемите. Те имат обаче по-малко
бързодействие (по-бавни са).
Според типа на канала на транзисторите MOS интегралните
схеми биват PMOS (с Р канал) и NMOS (с N канал).
На фиг. 10.29а е показана схемата на логически елемент инвер-
тор с NMOS транзистор. При нулево напрежение на гейта тран-
зисторът е запушен (вж. характеристиката от фиг. 10.296) и в из-
251
хода се установява логическа 1. Когато към входа се подаде но
ложително напрежение (логическа 1), транзисторът се отпушва и
в изхода му се установява ниско напрежение (логическа 0). И тук
както при логическите елементи с биполярни транзистори се нор-
мират логическите нива на изхода и на входа.
Фиг. 10.29
При практическата реализация
на инвертора ролята на товарния
резистор с изпълнява от друг N
MOS транзистор (транзистор T.t
от фиг. 10.30)
На фиг. 10.30 е дадена схема
ИЛИ-HE. При подаване на логи-
ческа 1 на който и да е от входове-
те съответният транзистор се от-
пушва и в изхода се установява 0.
Когато към входовете на двата
транзистора са приложени логи
чески нули, те са запушени и в из-
хода се установява логическа 1.
10.6.2. CMOS интегрални схеми
MOS интегралните схеми, както и TTL схемиге имат надостагъ
ка, че в установено състояние консумират ток от захранващия из-
точник. Това е особено неизгодно при миниатюрни изделия с мест-
но батерийно захранване, каквито са джобните калкулатори и
цифровите ръчни часовници. Този недостатък е избягнат при
т. нар. CMOS интегрални схеми. Те са съставени от MOS транзис-
тори с дстълнителна симетрия (complementary MOS).
252
Елемепгарна схема на инвертор с такива гранзистори е показа-
на на фиг. 10.31. Изходите на N M0S и PMOS транзисторите са
евързани последователно, като дрейновете им са в обща точка,
която представлява изходът на схемата. Гейтовете са евързани
паралелно. Когато към тях се подаде нулев потенциал, транзисто-
ры Г2 се отнушва, a Т> се залу шва. В изхода се установява noicii
циал, равен на захранващото напрежение (логическа 1) Съот
ветният еквивалент на това състояние на схемата е показан на
фиг. 10.32а. От захранващия източник + EV[) не се консумира ток.
Когато към гейтовете на транзисторите се подаде положителен
потенциал (логическа 1), транзисторът Т, се отпушва (фиг. 10.326),
а Т> се запушва. Изходът се оказва евързан към маса (логичес
ка 0). Захранващият източник е прекъснат и от него не се консу-
мира ток и при двете състояния на схемата.
253
Вьпроси и задачи
1. Каква е основната разлика между дискретен елемент и интегрален елемент?
2. Защо интегралният биполярен транзистор изисква доиълнителни мерки за
изолация? Как се изолират MOS транзисторите в интегралиите схеми?
3. Какво представляват груповите технологии и защо се наричат така?
4. Каква е разликата между хибридните и полупроводниковите (монолитните)
интегрални схеми?
5. В какъв режим работят транзисторите в аналоговите ИС?
6. В какъв режим работят транзисторите в цифровите ИС?
7. Начертайте елементарна логическа схема на инвертор с биполярен транзистор.
От кои параметри на транзистора ще се определят нивата на логическата 0 и
логическата 1?
8. Начертайте диодно-резисторна логическа схема, оеъществяваща операцията
И, и нейния електрически еквивалент.
9. Начертайте диодно-резисторна логическа схема, оеъществяваща операция-
та ИЛИ, и нейния електрически еквивалент.
ГЛАВА ЕДИНАДЕСЕТА
КАЧЕСТВО И НАДЕЖДНОСТ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИТЕ
ПРИБОРИ И ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
11.1. ПОНЯТИЕ ЗА НАДЕЖДНОСТ
Усложняването на електронните устройств и все по-отговорните
функции, конто те изпълняват, поставят сериозни изисквания
към тяхната надеждна работа.
254
Надеждността е понятие, свързано с безотказната работа.
Всяко изделие — полупроводников прибор, интегрална схема или
сложно електронно устройство, се окачествява с помощта на ком-
плект от технически параметри, чиито стойности трябва да се на-
мират в определени граници. Броят на контролираните параме-
три както и методите за тяхната проверка се отразяват в съответ-
ни стандартизационни документи: български държавен стандарт
(БДС), ведомствени отраслови нормали (ОН) и техническа до-
кументация, съгласно която се организира производството.
Полупроводников прибор или интегрална схема, чиито параме-
три, не отговарят на регламентираннте в стандартизационните до-
кументи показатели, се смятат за негодни.
Отношението на броя на произведените годни изделия към об-
щия брой изделия, заложени за производство, се нарича ранде-
ман или производствен добив.
Рандемаъът е изключително важна категория в полупроводни-
ковата промишленост. По-големият рандеман осигурява по-голям
обем на произвежданите изделия и повишава икономическата
ефективност на производството. Така например, ако едно пред-
приятие увеличн рандемана от 40 на 80% с един и същи разход
на труд, то произведената продукция ще се увеличи два пъти.
Специфичността на микроелектронните изделия обуславя съ
ществсна взаимовръзка между рандемана и надеждността, проя-
всна в експлоатационния период на изделието. Ниският рандеман
по същество предопредели голяма потенциал на ненадеждност.
Надеждността представлява свойство на изделието да изпъл-
нява определени функции, като запазва във времето определени
стойности на техническите показатели, гарантиращи качествено
изпълнение на тези функции.
Надеждността включва в себе си редица свойства: безотказност,
дълготрайност, ремонтопригодност, съхраняемост и др.
Полупроводниковите прибори и интегрални схеми не са ремон
топригодни. Основни количествени показатели, конто характе-
ризират тяхната надеждност, са времето на работа до отказ t и
интензивността на отказите X (/). И двата показателя са вероят-
ностна величини.
Интензивността на отказите к (/) представлява условна плът-
ност на вероятността за възникване на отказ в неремонтируеми
обекти. Ще изясним същността и смисъла на този показател със
следния пример.
Нека N на брой еднакви изделия работят при едни и същи усло-
вия и следим за тяхната работа при строго определени критерии
за идентифициране на отказите.
Разделяме скалата на времето на равни интервали от време А/.
В първия интервал Wi дефектират А/?, прибори и може да се на-
Дп1
мери вероятността на отказите Р)= ——
/ ЛИЧНА \ 255
f RM*? •Л'Ь'ТВКА 1
Вьв втория интервал Л/2 дефектират Дп2 прибора и съответната
Ап?
вероятиост на отказите е рг =------— и т. н.
N— An,
Интензивността на отказите X, се получава, като се раздели ве-
роятността р, на интервала А/, при условие, че Л/, >0:
(11.1) Х,=---------------------—, h 1
Л/-
N - /
* = 1
На фиг. 11.1 е нанесена хистограмата на разиределение на от-
казите във времето при крайна стойност на А/, С плътна линия е
дадена интензивността на отказите, получени при \tit клонящо
към нула.
В първоначалния период на работа на изделието интензивност-
та на отказите е сравнително голяма. В този период отпадат при-
берите с изявена потенциална ненадеждност. Следва интервал
от време, през който интензивността на отказите се запазва посто-
янна, след което в резултат иа «стареене» се получава отново уве-
личаване на X.
Приблизителното тълкуване на параметъра X може да се она-
гледи със следните примери. Производителят гарантира за даден
тип транзистор интензивност на отказите Х = 1.10“4 h” и продава
партида от 10 хил. транзистора. Формула (11.1) показва, че в
първоначалния период ще дефектира по 1 транзистор на час, след
което интервалът от време, през който се получава един дефекта
рал транзистор, се увеличава.
Фиг. 11.1
Да разгледаме другия случай, при който се интересуваме колко
надеждно ще работа един производно избран транзистор от цяла-
та партида от 10 хил. броя.
Средното време на работа (до дефект) може да се изчисли като
256
~=104 h. Тази цифра обаче е получена с определена степей
на вероятност. Ние смятаме, че ириборът ще работи 104 часа, но
съществува вероятност (макар и по-малка) да дефектира или по-
рано, или по-късно.
Ако сложно електронно устройство се състои от К групи едно-
типни елементи и във всяка трупа има п, елеменга, характеризи-
ращи се с интензивност на отказите X,, то резултантната интен-
зивност на отказите за цялото устройство е
к
(1 1.2) = £ п, к,.
I
Така например, ако в устройството работят 100 транзистора с ин-
тензивност на отказите А=1.10 4 h ', то за цялото устройство
се получава X, — 100.10 4= 1.10 2 h ' или средното време на ра-
бота до първия отказ е
7v= —=100 11.
Ако същото устройство е реализирано чрез интегрална схема,
в която са поместени 100-те транзистора и производителят харак-
теризира интензивността на отказите със същото число (което е
напълно възможно), средното време на работа до първия отказ е
Л. = 10 000 h.
Следователно решаването на нроблемите за надеждността при
сложни електронни устройства е немислимо без използуване на
интегрални схеми с увеличаваща се стелен на интеграция. Тога-
ва центърът на тежестта се пренася върху осигуряването на на-
деждността на микроелектронните изделия.
11.2. МЕТОДИ ЗА ПОВИШАВАНЕ НА НАДЕЖДНОСТТА
НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИТЕ ПРИБОРИ И ИНТЕГРАЛНИ СХЕМИ
И НА ЕЛЕКТРОННИТЕ УСТРОЙСТВА
Методите за повишаване на надеждността на микроелектронни-
те изделия са свързани с качеството на технологиите и техноло-
гичната дисциплина. Това налага организиране на комплексен
контрол, който включва контрол на параметрите на технологич-
ните пронеси, контрол на параметрите на входните материали и
контрол на произвежданите изделия в различните етапи на про-
изводствения цикъл.
На фиг. 11.2 са показани разновидностите на производствения
контрол: входен, междуоперационен и краен (търговски) кон-
трол. Независимо от сериозните мерки, конто се предприемат за
спазване на технологичната дисциплина, и прецизността, с която
се контролират произвежданите изделия, на практика се получа-
17 Електронни н полупроводникови прибори
257
ват значителни отклонения на параметрите от номиналните (ти
повите) стойности. При това по-лошите стойности на редица па-
раметри са предпоставки за потенциална ненадеждност на изде-
лието. Допълнително повишаване на надеждността за сметка на
Ви со ко -
Готова
продукция
Фиг. 11.2
отстраняване на потенциално ненадеждните прибори и интеграл
ни схеми се получава чрез подлагането им на допълнителни елек-
трически, температурни и други видове натоварвания. За интег-
ралните схеми се използуват специални изпитвателни системи
(известии под наименование™ burn-in системи), в конто голямо
количество схеми функционират електрически при високи темпе-
ратури (1004-150° С) за определен период от време. По този начин
се подбират схеми за по-отговорни приложения.
Изискванията за безотказна работа на изделията зависят от
отговорността и условията на тяхното използуване. Ето загцо и
стандартите, третиращи въпросите за надеждността, се категори-
зират според спецификата на приложенията на изделията (кос-
мически, военни, индустриални, битови).
ГЛАВА ДВАНАДЕСЕТА
। ЬВРЕ И ЕН Н«»( '.I I < о-. 11 >• • н м ни) 1н> н ч f
НА EJIEK ГРОН И К А > \ И V И H POt ’ и-
Електрониката навлиза във всички области на промишлеността
и народното стопанство. Темповете на развитие на производство
то на електронни и електронизирани изделия се характеризират
с удвояване на обема на продукцията на всеки 5 г. Навлизането
на електрониката в области, смятани досега за нетрадиционни,
наложи въвеждането и на ново понятие — електронизирано изде-
лие. Електронни изделия са електронноизчислителната машина,
калкулаторът, радиоприемникът. Електронизирани изделия са дет-
258
ската играчка с дистанционно управление, тракторъг, в който елек-
трониката осъществява автоматично водене по редовете на царе
вицата, стругът с цифрово-програмно управление и т.н.
Тенденциите в развитието на електрониката са едновременно и
непрекъснато реализиращи се постижения на технический прогрес.
Микроелектрониката се развива прогресивно чрез създаване
на все по-прецизни и с различии функционални предназначения
аналогови ИС и с повишаване на степента на интеграция на еле-
ментите в един чип. Интересно еда се проследи развитието на циф-
ровите ИС.
През 1960 г. са произведена първите силициеви бинолярни пла
нар ни ИС. В периода 1964 - 1969 г. биполярните ИС достигат опре-
делена граница на възможностите си, но наред с тях MOS ИС за-
почват да изявяват конкурентните си способности. В 1969 г. са
създадени големите MOS ИС, а в 1973 г. — и големите биполярни
ИС като схеми с инжекционна логика.
През 70-те години се появяват две нови и много важни области
на приложение на големите ИС: калкулаторите и микроироцесо-
рите. Калкулаторната техника се разви в такива големи мащаби,
че миниатюрните калкулатори станаха ежедневие в практиката на
човека. През 1971 г. са създадени и първите микропроцесорни сис-
теми, в конто няколко чипа изпълняват значителна част от функ-
циите на голяма електронноизчислителна машина.
По-особените моменти, характеризиращи развитието на микро
електрониката през 80-те години, конто очертават перспективите
и до края на века, са следните:
1. Повишаване на степента на интеграция по пътя на увеличава-
не на разделителната способност на фотолитографските и други
процеси. Тази разделителна способност вече е от порядъка на
0,5 цт с тенденции за достигане до 0,2 цт.
По този начин се открива пътят за производство на свръхголе-
ми ИС (СГИС), при конто броят на елементите в един чип надви-
шава 10°. Създадени са полупроводникови памети с информа-
ционен капацитет 4 Мбита на един чип, а теоретична граница засе-
га се смята 64 Мбита.
Създадени са бързодействуващи логически схеми (СБИС), в чий-
то състав влизат повече от 40 хил. транзистори и други схемни еле-
менти с време на превключване около 2 ns. Работи се по създаване
на свръхбързи интегрални схеми, конто ще позволят процесорите
да извършат 109—10'° и повече операции в секунда. Разработват
се микропроцесорни изчислителни системи, съставени от определен
брой СБИС, разположени на една полупроводникова пластина.
Сферите на приложения на микроелектронните изделия все пове-
че се разширяват. Това става причина да се увеличава номенкла-
турата на специализираните ИС, което затруднява тяхното произ
водство и приложение. За разрешаване на така възникналнте про-
тиворечия се прилагат два метода. Първият е създаване на микро-
259
схеми, чиито функции могат да се применят по определена програ-
ма от външни електрически сигнали.
Другият метод е конструирането на схема на основата на базов
матричен кристал, който представлява матрица от несвързани по-
между си елементи. По поръчка на клиента връзките между еле-
ментите се осъществяват при крайния етап на формиране на мик-
росхемата по такъв начин, че готовата схема да изпълнява зада-
дените функции.
Една разновидност на този метод е приложена в т.нар. програ-
мируеми логически матрици (PLM). При тях връзките след създа-
ването им могат да се разрушат по електрически път.
Нови перспективи се разкриват в областта на създаване на
свръхбързодействуващи и с повишена степей на интеграция ИС на
основата на галиев арсенид. Те могат да работят при по-високи
температуря, което създава възможности за повишаване на сте-
пента на интеграция на елементите в чипа при същите условия на
топлоотделяне както в силициевите ИС. Освен това схемите на
основата на GaAs са по-устойчиви на радиация и са с по-малка
консумирана мощност.
Във връзка с последните открития на материали, конто прояви
ват свръхпроводимост при температурата на течния азот, особено
голям интерес представляват структурите, използуваши прехода
на Джосефсън. Този преход представлява система от два слабо
свързани материала, през конто протича незатихващ ток. Такъв
преход има две устойчиви състояния, което позволява па тази ос-
нова да се създават елементи с време на превключване от 1 до
10 ps и разсеяни мощности от порядъка на микровати.
При приложението на прибори и схеми с голяма подвижност на
електроните (свръхпроводимост) се срещат практически труднос-
ти поради необходимостта да работят при много ниски темпера-
тури. Учените изучават възможностите за получаване на нови
структури, конто да работят в условия на свръхпроводимост при
стайна температура.
Голямо развитие претърпяват индикаторните елементи. Широко
се използуват и усъвършенствуват индикаторите с течни кристали.
газоразрядните индикатори, вакуумнолуминесцентните индикато
ри, електролуминесцентните индикатори и др. Въвеждат се плос-
ките индикаторни панели.
В изключително голям възход са оптоелекгронната техника и сис-
темите за връзка с оптични влакна. Нреминава се от градицион-
ната връзка между'отделните блокове към оптични вълноводни
линии за връзка. При тази организация обработката на информа-
цията се осъществява с традиционните микросхеми, а връзката
между отделните схеми се основава на интегралната оптика в рам-
ките на чипа и на влакнесто-оптичните линии за връзка между
отделните блокове.
В последните години се произвеждат устройства за обработка
260
и предаване на информацията, чийто принцип на действие се осно-
вава на повърхноСтно-акустични вълни. При тях входният електри-
чески сигнал се преобразува в акустична вълна. Тя се разпростра-
нява по повърхността на пиезоелектрически звукопровод, след
което в изхода отново се преобразува в електрически сигнал. Тези
прибори се използуват в СВЧ техниката като разпределители на
мощности, превключватели и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Атанасов, А. Н. Основи на микроелектрониката. С., Техника, 1987
2. Д е р ч а к, В. Н. и др. Методы повышения параметров БИС. М. Высшая
школа, 1986.
3. Дулин, Б. Н. Электронные приборы. М., Энергия, 1977.
4. Конов, К. Импулени и цифрови схеми с интегрални TI L елементи, С., Тех
ника, 1982. *
5. Ко л ед о в, Л. Н., Э. М. Ильина. Микроэлектронная анаратура. М., Высшая
школа, 1987.
6. М а д ь я р и, Б. Елементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автомати-
ки. М., Советское радио, 1979.
7. М е й з д а, Ф. Интегральные схемы. М., Мир. 1981.
8. М и т р о ф а н о в. О. Н. и др. Физические основы функционирования изде-
лий микроэлектроники. М., Высшая школа, 1987.
9. Н ед ев, Н. и др. Оптоелектронни прибори. С., Техника, 1980.
10. Шишков, А. Н. Полупроводникова техника, ч. I, С., Техника, 1979.
261
СЪДЪРЖАНИЕ
Глава първа
Въведение
1.1. Предмет на електрониката 3
1.2. Кратки исторически сведения .... 4
1.3. Класификация на електронните прибори 5
Глава втора
Електронни и ионии лампи
2.1. Електронът и поведението му в електрическо поле 7
2.2. Електронна и термоелектронна емисия 8
2.3. Двуелектродна лампа (диод) 11
2.4. Дампов триод . . 15
2.5. Други видове електронни лампи 23
2.6. Йонни прибори .... 24
2.7. Електроннолъчеви тръби (ЕЛТ) 28
Глава трета
Физични и технологични основи на полупроводниковите
прибори и микроелектрониката
3.1. Електропроводимост на твърдите тела. Основни понятия 38
3.2. Механизъм на протичане на ток в твърдото тяло 39
3.3. Теория на електропроводимостта. Собствена проводимост на полупро-
водиицнте 43
3.4. Примесна проводимост на полупроводниците ... 54
3.5. Неравновесна концентрация. Време на живот. Дифузия 60
3.6. Електронно-дупчест преход ....................................61
3.7. Техиологични основи на полупроводниковите прибори и микроелектро-
никата . . 75
Глава четвърта
Полупроводникови диоди
4.1. Класификация на полупроводниковите диоди 82
4.2. Изправителни диоди 84
4.3. Селеиови диоди .... 90
4.4. Универсалии и импулсни диоди 91
4.5. Опорни диоди . . 95
4.6. Други видове диоди 98
Глава пета
Биполярни транзистори
5.1. Обща класификация на транзисторите .... 105
5.2. Устройство и методи за получаване на биполярните транзистори . 106
5.3. Транзисторът като четириполюсник............................. НО
5.4. Схема обща база. Принцип на действие. Статични характеристики и усил
вателни свойства ..... .......................... 112
5.5. Схема общ емитер. Принцип на действие. Статични характеристики и
динамичен режим .................. .121
5.6. Усилвателии свойства на транзистора при схема ОК . 132
5.7. Схеми иа захранване на транзистора по постоянен ток 134
5.8. Максимално допустими параметри на транзисторите . 138
Глава шеста
Дииамнчии параметри на транзисторно
усилвателно стъпало
262
6.1. Еквивалентни схеми на транзистора 146
6.2. Четириполюсни параметри на транзистора 149
6.3. Определяне на параметрите на транзисторите от статичните характе-
ристики ..........................................................153
6.4. Зависимост на малосигналните параметри на транзисторите от работ-
ната точка ............ - .................155
6.5. Динамични (вторични) параметри на транзисторно усилвателно стъ-
пало ............................................................ 156
6.6. Преходни процеси в транзисторите. Поведение при високи честоти 160
6.7. Шумови характеристики на транзисторите........................166
6.8. Технологични разлики в параметрите на произвежданите транзистори.
Надеждност 169
Глава седма
Униполнрни (полеви) транзистори
7.1. Полеви транзистори с управлянащ PN преход 172
7.2. MOS транзистори 176
7.3. Еквивалентни схеми на полевите транзистори .182
7.4. Схеми за захранване на постоянен ток. Динамичен режим . 183
Глава о с м а
Други полупроводникови прибори
8.1. Тиристори.................................................... 186
8.2. Полупроводникови прибори със специално предназначение 198
Глава девета
Оптоелектроника
9.1. Основни понятия и класификация на оптоелектронните прибори 206
9.2. Фоточувствителни прибори, използуващи външния фотоефект . 208
9.3. Фоточувствителни прибори с вътрешен фотоефект 210
9.4. Свето.щоди и оптрони . .219
9.5. Светлинни индикатори 223
Глава десета
Микроелектроника
10.1. Предмет на микроелектрониката. Класификация на микроелектронни-
те схеми..........................................................226
10.2. Конструктивно-технологични особености на полупроводниковите иитег-
рални схеми.................... . . 229
10.3. Аналогови интегрални схеми . 235
10.4. Цифрови интегрални схеми . 241
10.5. TTL интегрални схеми ... 247
10.6. MOS и CMOS интегрални схеми . 251
Глава единадесета
Качество и надеждност на полупроводниковите
прибори и интегрални схеми
11.1. Понятие за надеждност .......................................254
11.2. Методи за повишаване на надеждността на полупроводниковите прибори
и интегрални схеми и на електронните устройства................257
Глава дванадесета
Съвремеино състояиие и тенденции в развитието
на електрониката и микроелектрониката ... ................258
263
ЕЛЕКТРОННИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ПРИБОРИ
Учебник за техникумите по електротехника
Автор доц к.т.н. инж. Иван Ил и е в Стоянов
Рецензент доц к.т.н. инж. Марин Христов Христов
Националност българска
Второ преработено и допълнено издание
Код 03 9534326432 и № 16о5о
4785—243—89
Научен редактор инж. Любов Алексиева
Художник Беседин Ц а ко в
Художествен редактор Жанин Б е л и н с к а
Технически редактор Мими Георгиева -Вл адова
Коректор Венка Стоичкова
Дадена за набор на 11. XI. 1988 г.
Подписана за печат на 1. XIL 1988 г.
Излязла от пёчат на 28. II. 1989 г.
Формат 60 X 90/16
Печ. коли 16,50 Изд. коли 16,50
УИК 17,68 Тираж 16 000 + 85
Цена 0,92 лв.
Държавно издателство «Т е х н и к а», бул. «Руски» 6, София
Държавна печатница «В. Александров», Враца
Транзистор полеви с изолиран гейт;
вграден и индуциран N канал
Транзистор полеви с два изолирани гей-
та, обеднен N канал и с извод от под-
ложката
Тиристор триоден с управление в катода
Светодиод
Фоторезистор
Фотодиод
Фототранзистор тип PNP
Диоден фототиристор
Оптрон с фототранзистор
Слънчев фотоелемент