Зонная теория твердых. Аналоговая электроника

Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле, кристаллической решетки.

Как отмечалось, отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т. е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни.

Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться толь­ко тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздей­ствию, т. е. когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна. Сказанное характеризуется энергетической диаграммой атома, приведенной на рис. 1.11,а .

Рис. 1.11. Схема расположения энергетических уровней:

а – уединенного атома; б – неметаллического твердого тела

Если имеется система из N одинаковых атомов, достаточно удаленных друг от друга (например, газообразное вещество), то взаимодействие между атомами практически отсутствует и энергетические уровни электронов остаются без изменений.

Обменное взаимодействие . При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. В частности, притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединенных атомах. Главное состоит в том, что при сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это, в свою очередь, существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек, электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, т. е. перемещаться по кристаллу. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона определенному атому – каждый валентный электрон принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов.

Энергетические зоны. Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны, как это показано для неметаллического твердого тела на рис. 1.11, б . Размещенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки. Обозначим через Э А энергию обменного взаимодействия между двумя соседними атомами. Тогда для кристаллов с простой кубической решеткой, где каждый атом имеет 6 ближайших соседей, расщепление уровней в зоны составит 12 Э А ; для гранецентрированной решетки (первая координационная сфера состоит из 12 атомов) ширина энергетической разрешенной зоны составит 24 Э А , а в объемноцентрированной (у каждого атома 8 соседей) – 16 Э А . Поскольку обменная энергия Э А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то уровни энергии внутренних оболочек, которые сильнее локализованы вблизи ядра, расщепляются меньше, чем уровни валентных электронов. Расщеплению в зону подвержены не только нормальные (стационарные), но и возбужденные энергетические уровни. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а величина запрещенных энергетических зазоров соответственно уменьшается.

Каждая зона состоит из множества энергетических уровней. Очевидно, их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело. Это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В кристалле объемом в 1 см 3 содержится 10 22 – 10 23 атомов. Экспериментальные данные показывают, что энергетическая протяженность зоны валентных электронов не превышает единиц электронвольт. Отсюда можно сделать вывод, что уровни в зоне отстоят друг от друга по энергии на 10 -22 – 10 -23 эВ, т. е. энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром. Достаточно ничтожно малого энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой, если там имеются свободные состояния.

Распределение электронов . В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового магнитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. Конечным оказывается и число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, что играет важную роль в формировании энергетического спектра кристалла.

Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными. Внутренние оболочки в изолированных атомах заполнены, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными.

Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валентной. Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону называют зоной проводимости. Взаимное положение этих двух зон определяет большинство процессов, происходящих в твердом теле.

Выводы зонной теории . Характер энергетического спектра у металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 3 эВ. Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать 10 эВ. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических проводников показано на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Энергетическое отличие диэлектриков от полупроводников

и металлических проводников с точки зрения зонной теории твердого

тела: 1 – заполненная электронами зона; 2 – зона свободных

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от атома к атому. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния. Очевидно, такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни. В типичных случаях добавочная энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега под действием электрического поля, составляет 10 -3 – 10 -4 эВ, т. е. намного превосходит расстояние между подуровнями в зоне.

В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0 К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока. Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например нагревание твердого тела.

Cредняя кинетическая энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке приблизительно равна (3/2) kT . При комнатной температуре эта величина составляет приблизительно 0,04 эВ, что в общем случае существенно меньше ширины запрещенной зоны ΔЭ. Однако следует иметь в виду, что тепловая энергия неравномерно распределяется между частицами. В каждый момент времени имеется небольшое число атомов, у которых амплитуда и энергия тепловых колебаний значительно превышают среднее значение. В процессе тепловых колебаний атомы взаимодействуют не только друг с другом, но и с электронами, передавая им часть тепловой энергии. Именно за счет таких тепловых флуктуаций некоторые из электронов могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Очевидно, чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов. У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определенной роли.

При каждом акте возбуждения и перехода электронов в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны, называемые «дырками». При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем электрическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т. е. ведет себя как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой. Таким образом, дырки обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности.

Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе при любой температуре наступает динамическое равновесие т. е количество электронов, переходящих в свободную зону, становится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние. С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля – убывает вплоть до нуля.

Значит, вещество, представляющее собой при одних температурах диэлектрик, при других более высоких приобретает проводимость, т. е. наступает новое качественное состояние вещества. Различие между проводимостями двух типов материалов – металлов и неметаллов – наиболее значительно при температурах, приближающихся к абсолютному нулю; различие же между двумя классами неметаллов – полупроводниками и диэлектриками – исчезает по мере приближения температуры к абсолютному нулю.

Рис. 1.13. Распределение плотности состояний в энергетической зоне

Электроны, находящиеся в зоне проводимости, нельзя считать абсолютно свободными. Такие электроны неизбежно будут взаимодействовать с периодическим потенциальным полем кристаллической решетки. При математическом описании поведения электронов в зоне проводимости пользуются понятием эффективной массы . Эффективная масса не определяет ни инерционных, ни гравитационных свойств электрона, однако вводя понятие эффективной массы, можно движение реального электрона в кристалле с массой т 0 описывать как движение абсолютно свободного электрона, т. е. эффективная масса учитывает сложный характер взаимодействия электрона с кристаллической решеткой при его движении под действием силы внешнего электрического поля. Эффективная масса может во много раз отличаться от массы свободного электрона.

Упрощенная диаграмма, изображенная на рис. 1.11,б , не учитывает то обстоятельство, что состояния внутри энергетической зоны распределены неравномерно. С помощью квантовой механики можно показать, что плотность состояний N (Э) будет наибольшей в середине энергетической зоны (рис. 1.13). Кроме того, плотность состояний, т. е. их число на единичный интервал энергии, вблизи краев зоны с увеличением энергии возрастает по параболическому закону:

, (1.1)

где - эффективная масса электрона.

Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум основным причинам: из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки и из-за изменения междуатомных расстояний, т. е. объема тела. С ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов, увеличивается степень их взаимодействия и степень расщепления энергетических уровней. Поэтому разрешенные зоны становятся шире, а запрещенные – соответственно уже.

При изменении межатомных расстояний в зависимости от характе­ра расщепления уровней ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться (рис. 1.11). Аналогичные изменения ширины зоны происходят под действием давления на кристалл, поскольку при этом изменяются межатомные расстояния.

Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состоя­ние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например поглощенная ма­териалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, механическая энергия т. д. Увеличение же числа свободных электронов или дырок под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Как было показано, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита он обладает большой проводимостью.

Примеси и точечные дефекты, нарушающие строгую периодичность структуры, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла. Если примесные атомы или дефекты расположены достаточно далеко друг от друга, то взаимодействие между ними отсутствует, а соответствующие им энергетические уровни оказываются дискретными. Поскольку туннельные переходы электронов между удаленными примесными атомами практически невозможны, то дополнительные электронные состояния локализованы в определенном месте решетки, т. е. на дефекте структуры. При достаточно высокой концентрации примесных атомов расстояния между ними сравнимы с размерами атомов, благодаря чему возможно перекрытие электронных оболочек ближайших атомов примеси. В этом случае дискретные энергетические уровни примесей расщепляются в энергетическую зону примесных состояний, способную обеспечить проводимость, если не все уровни в этой зоне заполнены электронами. Таким образом, электрические свойства всех твердых тел определяют теоретически с единой точки зрения – энергия возбуждения носителей заряда или энергия активации электропроводности равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящих при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков; хорошо проводящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить твердые тела по этому признаку. Подводя итог сказанному, следует подчеркнуть, что зонная теория строго применима к твердым телам с ковалентными и металлическими связями.

Разделение твердых тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. По мере того как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой изначальный смысл.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите общую классификацию материалов, используемых в электронной технике.

2. Каковы основные виды химической связи в материалах и чем они обусловлены?

3. В чем различия между монокристаллами, поликристаллическими и аморфными веществами?

4. Приведите примеры точечных и протяженных дефектов структуры в реальных кристаллах.

5. Охарактеризуйте явление полиморфизма. Приведите примеры полиморфных веществ.

6. Почему при образовании твердого тела энергетические уровни атомов расщепляются в энергетические зоны?

7. От чего зависит ширина разрешенной зоны и число уровней в ней?

8. Чем различаются зонные структуры проводника, полупроводника и диэлектрика?

9. В чем различие между электронами проводимости и свободными электронами?

Материалы используемые в этой части лекции были взяты из книги А.М. Хадыкина «Радиоматериалы и радиокомпоненты».

В атоме электроны движутся на различных расстояниях от ядра и с различными скоростями. С увеличением радиуса орбиты кинетическая энергия электрона уменьшается, а потенциальная относительно ядра - увеличивается. Соответственно этому относительно ядра электроны обладают различными значениями полной энергии - уровнями энергии. Наименьшая полная энергия - у ближайших к ядру электронов, наибольшая - у валентных электронов.

Энергетические уровни электронов отличаются друг от друга определенными значениями энергии Е. Одним и тем же уровнем энергии в уединенном атоме (рис. 77, а) могут обладать не более двух электронов (принцип Паули). В атоме между энергетическими уровнями имеются области запрещенных значений энергии для электронов. Их называют запрещенными зонами (на рисунке зоны А, В, С и т. д.).

Под воздействием некоторых факторов (нагревания, внешнего электрического поля, излучения) энергия электрона изолированного атома может изменяться: увеличиваться или уменьшаться, но не плавно, а скачком - дискретными значениями энергии, от одного уровня к какому-то другому уровню. Переход электрона на более высокий энергетический уровень (например, с 1-го на 3-й, со 2-го на 5-й) происходит при поглощении им извне энергии. Переход на более низкий энергетический уровень (например, с 5-го на 2-й, с 4-го на 1-й) сопровождается выделением энергии.

При объединении атомов в твердое тело вследствие образования коллективизированных электронов энергетические уровни отдельных электронов атома расщепляются на множество близких по величине уровней энергии, которые образуют энергетическую зону (рис. 77, б). Она называется зоной разрешенных значений энергии электрона. Число уровней в зоне равно числу атомов в кристалле.

Между разрешенными зонами энергий имеются зоны запрещенных значений энергии электрона. В твердом теле бывает различное заполнение разных зон электронами. Зоны могут быть заполненными полностью, они называются валентными (рис. 77, в), частично заполненными - такие зоны называются зонами проводимости , или совершенно свободными (свободные зоны) . В валентных зонах все энергетические уровни заняты электронами, поэтому в таких зонах невозможны внутризонные переходы электронов с уровня на уровень под действием электрического поля. (В образовании электрического тока валентные зоны участия не принимают, поэтому они нас в дальнейшем интересовать не будут.

При образовании энергетических зон, верхние энергетические уровни, например 3-й, 4-й, 5-й (рис. 78), расщепляются так, что электроны в соседних зонах имеют одинаковые значения энергии - их энергетические уровни совпадают. Это приводит к перекрытию всех зон, в том числе и свободной зоны (расщепленным верхним энергетическим уровнем 5).

Внутри твердого тела нет никаких зон, ограниченных геометрическими размерами. Понятие "зона" введено только для того, чтобы подчеркнуть, что в твердом теле те или иные электроны (электроны данной зоны) обладают энергией, лежащей в определенных пределах: от наименьшего значения энергии E 1 до ее наибольшего значения Е 2 в заполненной зоне (см. рис. 77, в) или от наименьшего значения энергии Е 3 до ее наибольшего значения. Е 4 в зоне проводимости. Когда мы говорим, что электрон находится в такой-то зоне, то под этим подразумевается только его энергетическое состояние, запас энергии, которым он обладает. При графическом изображении зон, когда по вертикали откладывается значение энергии, линия нижней границы зоны будет соответствовать наименьшему значению энергии электронов данной зоны, а линия верхней границы - наибольшему.

Электроны в твердых телах могут переходить из одной разрешенной зоны в другую, а также с одного уровня на другой внутри одной зоны (внутризонные переходы). Для перевода электрона из нижней зоны в соседнюю верхнюю необходимо затратить энергию, равную энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны.

В зависимости от ширины запрещенных зон и заполнения электронами энергетических уровней в зонах твердые тела делятся по электропроводности на проводники, полупроводники и диэлектрики. К проводникам (металлы) относятся вещества, имеющие или не полностью заполненную энергетическую зону проводимости, примыкающую к свободной зоне (рис. 79, а), или частично перекрывающиеся между собою зоны: полностью заполненная (валентная) и находящаяся над ней свободная. Перекрытие зон приводит к образованию широкой, не полностью заполненной зоны - зоны проводимости (рис. 79, б). При подключении металла к источнику тока (при наличии в нем даже слабого внешнего электрического поля) электрону в пределах одной зоны приходят в упорядоченное движение с низших энергетических уровней на высшие, перемещаясь по металлу, образуя тем самым электрический ток.

Вещества, у которых между свободной и валентной зонами имеется широкая запрещенная зона (более 2-3 эв ), являются диэлектриками (рис. 80). В них все энергетические уровни валентных зон заполнены полностью электронами. Использовать свободную зону в качестве зоны проводимости нельзя, так как она отделена от валентной широкой запрещенной зоной. Поэтому в диэлектриках нет условий для упорядоченного движения электронов в пределах одной энергетической зоны, т. е. нет условий для образования тока. При очень большой напряженности электрического поля электроны в диэлектрике могут перейти из валентной в свободную зону. Образовавшийся при этом ток разрушит диэлектрик (пробой диэлектрика).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие о зонной теории твердых тел

В рамках зонной теории многоэлектронная задача сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем периодическом поле -- усредненном и согласованном поле всех ядер и электронов.

Рассмотрим «процесс образования» твердого тела из изолированных атомов.

Пока атомы изолированы, т. е. находятся друг от друга на макроскопических расстояниях, они имеют совпадающие схемы энергетических уровней (рис. 1).

Рисунок 1 Энергетические уровни изолированных атомов

По мере «сжатия» модели до кристаллической решетки, т. е. когда расстояния между атомами станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется зонный энергетический спектр.

Заметно расщепляются и расширяются лишь уровни внешних, валентных электронов, наиболее слабо связанных с ядром и имеющих наибольшую энергию, а также более высокие уровни, которые в основном состоянии атома вообще электронами не заняты. Уровни же внутренних электронов либо совсем не расщепляются, либо расщепляются слабо.

Таким образом, в твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, валентные же электроны «коллективизированы» -- принадлежат всему твердому телу.

Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах закрашенных на рис. 1 областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл: чем больше в кристалле атомов, тем теснее расположены уровни в зоне. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10 -22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными, однако факт конечного числа уровней в зоне играет важную роль для распределения электронов по состояниям.

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее связь валентных электронов с ядрами.

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также заполнена целиком.

Валентная зона полностью заполнена электронами и образована из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов.

З о на проводимости (свободн ая зон а) либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов изолированных атомов.

В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая (рис. 2).

Рисунок 2 Энергетические зоны

На рис. 2, а самая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т. е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т. е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутризонный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения kT 10 -4 эВ, т. е. гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10 -22 эВ). Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

Твердое тело является проводником электрического тока и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (рис. 2, б). Это имеет место для щелочно-земельных элементов, образующих II группу таблицы Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn,...). В данном случае образуется так называемая «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Следовательно, в данном случае металлические свойства щелочно-земельных элементов обусловлены перекрытием валентной и свободной зон.

Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны E.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком , оставаясь им при всех реальных температурах (рис. 2, в).

Если запрещенная зона достаточно узка (Е порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию Е, и кристалл является полупроводником (рис. 2, г).

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl Е = 6 эВ), для полупроводников -- достаточно узка (например, для германия E = 0,72 эВ). При температурах, близких к 0 К, полупроводники ведут себя как диэлектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.

Собственная проводимость полупроводников

зонный твердый энергетичекий электрон

Полупроводниками являются твердые тела, которые при Т = 0 характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (Е порядка 1 эВ) запрещенной зоной. Электропроводность полупроводников меньше электропроводности металлов и больше электропроводности диэлектриков.

В природе полупроводники существуют в виде элементов (элементы IV, V и VI групп таблицы Менделеева), например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп.

Различают собственные и примесные полупроводники.

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью (химически чистые Ge, Se, многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.)

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости II (рис. 3,а). При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона II из-за ее частичного «укомплектования» электронами становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-т и па (от лат. negative -- отрицательный).

Рисунок 3 Собственная проводимость полупроводников

В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место -- дырку -- может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами -- дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positive -- положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно n е и n р , то

n е = n р . (1)

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 3,б). Для переброса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны E. При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Удельная проводимость собственных полупроводников

где 0 -- постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается). С точки зрения зонной теории с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости. Поэтому удельная проводимость собственных полупроводников с повышением температуры растет.

Наиболее распространенным из полупроводниковых элементов является германий, имеющий решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями. Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле Ge дана на рис. 4, где каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости. При повышении температуры (или под действием других внешних факторов) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает дырка (она изображена белым кружком), заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки -- по полю, что приведет к возникновению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

Рисунок 4 Кристаллическая решетка германия

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинация: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Объединение изолированных атомов в кристалл. Схема локальных энергетических уровней электронов. Основные элементы зонной теории. Особенность состояний электронов в кристаллах. Уменьшение сопротивления металлов. Физические основы квантовой электроники.

контрольная работа , добавлен 09.01.2012


Описание зонной теории твердого тела. Трансляционная симметрия в кристаллах. Потенциальная яма. Освобождение электрона. Обобществление валентных электронов в кристалле. Потенциальные ямы в кристалле. Зонная структура кристалла. Свободный электронный газ.

презентация , добавлен 03.04.2019


Главные приближения, лежащие в основе зонной теории. Кристаллическая решетка полупроводника, его энергетические уровни. Наличие электронов в зоне проводимости или наличие вакантных мест в валентной зоне, необходимое для возникновения электропроводности.

реферат , добавлен 30.06.2015


курсовая работа , добавлен 09.06.2015


Особенности определения зонной структуры по заданным направлениям в зоне Брюллюэна. Определение на ней положения примесных акцепторных состояний EA и значений эффективных масс. Составление блока численных значений для основных параметров полупроводников.

контрольная работа , добавлен 23.12.2009


Электронное строение атомов переходных элементов. Физические свойства редкоземельных металлов, их применение. Решение уравнения Шредингера для кристалла. Современные методы расчета зонной структуры. Расчет электрона энергетического спектра неодима.

дипломная работа , добавлен 27.08.2012


Эволюция представлений о строении атомов на примере моделей Эрнеста Резерфорда и Нильса Бора. Стационарные орбиты и энергетические уровни. Объяснение происхождения линейчатых спектров излучения и поглощения. Достоинства и недостатки теории Н. Бора.

реферат , добавлен 19.11.2014


Электрофизические свойства полупроводников. Структура полупроводниковых кристаллов. Элементы зонной теории твердого тела. Микроструктурные исследования влияния электронного облучения на электрофизические характеристики полупроводниковых приборов.

курсовая работа , добавлен 18.09.2015


Особенности электростатического взаимодействия между электронами в атомах. Уравнение полной потенциальной энергии электрона. Понятие и примеры электронных конфигураций атома. Расчет энергии состояний. Последовательность заполнения электронных оболочек.

презентация , добавлен 19.02.2014


Поиск эффективных методов преподавания теории вращательного движения в профильных классах с углубленным изучением физики. Изучение движения материальной точки по окружности. Понятие динамики вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.

Основываясь лишь на модели электронного газа невозможно объяснить тот факт, что одни вещества представляют собой проводники, вторые полупроводники, а третьи изоляторы. Стоит принимать во внимание взаимодействие между атомами и электронами. Предположим, что кристаллическая решетка металла или полупроводника сформирована как результат сближения атомов. Связь с атомными ядрами валентных электронов атомов металлов проявляет себя гораздо слабее, чем связь с подобными электронами полупроводников. При условии сближения атомов электроны приходят во взаимодействие. В результате валентные электроны разрывают свою связь с атомами металла, что делает их свободными, обладающими возможностью перемещаться по всему металлу.

Определение 1

В полупроводниках, по причине существенно более сильной связи электронов с ядрами атомов, для того, чтобы разорвать связь валентного электрона нужно сообщить ему так называемую энергию ионизации .

Для разных полупроводников величина энергии ионизации может колебаться от 0 , 1 до 2 э В, в то же время средняя кинетическая энергия теплового движения атома близка к 0 , 04 э В. Количество атомов, энергия которых выше или эквивалентна энергии ионизации, относительно невелико. Соответственно, свободных электронов в полупроводниках не много. С увеличением температуры, число атомов с энергией ионизации повышается, а это значит, что растет и электрическая проводимость полупроводника.

За процессом ионизации всегда идет сопровождение в виде обратного процесса, а именно рекомбинация. В условиях состояния равновесия среднее число актов ионизации эквивалентно количеству актов рекомбинации.

Понятие о зонной теории

Определение 2

Квантовая теория электропроводности твердых тел основывается на так называемой зонной теории твердых тел, которая заключается в изучении энергетического спектра электронов.

Определение 3

Данный спектр подразделяется на разделенные запрещенными промежутками зоны. В случае, если в верхней зоне, где определяется присутствие электронов, они не заполняют каждое из квантовых состояний (в пределах зоны может быть проведено перераспределение энергии и импульса), то данное вещество представляет собой проводник. Подобная зона носит название зоны проводимости , вещество - проводника электрического тока , тип проводимости такого вещества является электронным .

Если в зоне проводимости находится большое количество электронов и свободных квантовых состояний, то значение электропроводности велико. Электроны в условиях зоны проводимости при прохождении электрического тока определяются как носители заряда. Процесс движения подобных электронов может быть описан с помощью законов квантовой механики. Если проводить сравнение с общим количеством электронов, то число таких электронов может считаться малым.

Энергетические уровни валентного электрона в одном изолированном атоме могут быть представлены таким образом, как это проиллюстрировано на рисунке 1 . Снизу вверх по вертикали на рисунке 1 откладываются: величины полной энергии электрона, а также отмечаются минимальная энергия электронов проводимости E c с наибольшим значением энергии связанных электронов E v . Вероятные значения энергий электронов заполняют собой некоторую область или же так называемую зону энергии W ≥ E c . Такая зона представляет собой зону проводимости. Энергии электронов связи формируют другую зону с W ≤ E v . Приведенная зона носит название зоны валентных электронов или, другими словами, валентной зоны. Данные зоны разделены энергетическим промежутком с шириной, определяемой с помощью следующего выражения: E g = E c − E v .

Такой энергетический промежуток представляет собой зону запрещенных энергий. В условиях отсутствующих примесных атомов, а также дефектов решетки, стационарные движения электронов с энергией внутри запрещенной зоны не представляются возможными.

Рисунок 1

Определение 4

Процесс разрыва химической связи, который провоцирует возникновение электрона проводимости и положительной дырки, носит название электронного перехода .

Определение 5

Валентная зона - зона проводимости (смотрите рисунок 1 цифра 1).

Обратный процесс определяется как рекомбинация электрона проводимости и положительной дырки (электронный переход 2 , рисунок 1). В условиях существования атомов примеси вероятно возникновение дискретных разрешенных уровней энергии как,например, уровень E d , проиллюстрированный на рисунке 1 . Данные уровни могут существовать не во всем объеме кристалла, а лишь в местах нахождения атомов примеси (такие уровни определяются как локальные). Каждый из локальных уровней производит энергию электрона, в случае его нахождения на примесном атоме. Локальные электронные уровни дают возможность дополнительных электронных переходов. Как пример, ионизация донора с образованием электрона проводимости проиллюстрирована на рисунке 1 в виде электронного перехода 3 . Роль обратного ему процесса захвата электрона на атом донора играет электронный переход 4 из зоны проводимости на незаполненный уровень донора.

Образование энергетических зон

Из решения задачи о движении электрона в поле периодического потенциала можно сделать вывод, что имеет место система зон разрешённых энергий (рисунок 2). Каждая из зон ограничивается снизу некоторой энергией W m i n или, другими словами, дном зоны, а сверху так называемым потолком зоны W m a x . Данные зоны разделены полосами запрещенных энергий. Ширина разрешенных зон в условиях увеличения энергии возрастает. Возможно перекрытие друг друга широкими зонами, такое явление провоцирует образование единой сложной зоны. Предположим, что существует N изолированных атомов, которые никоим образом не взаимодействуют. В каждом из таких атомов энергия электронов может претерпевать изменения только в виде скачка, таким образом, она характеризуется совокупностью резких, дискретных уровней энергии. В данной системе невзаимодействующих атомов роль каждого атомного энергетического уровня играет N совпадающих уровней энергии. Сократим расстояние между атомами до формирования кристаллической решетки. Атомы начинают взаимодействовать друг с другом, а уровни энергии изменяются. Ранее совпадающие N уровней энергии начинают разниться. Подобная система несовпадающих уровней энергии носит название разрешенной зоны энергий.

Выходит, что энергетические зоны возникают в качестве результата расщепления дискретных уровней энергии электрона в атомах, вызванного действием атомов решетки. Количество энергетических уровней в каждой из зон крайне большое (порядка числа атомов в кристалле), энергетические уровни расположены довольно близко. Таким образом, в некоторых случаях можно принять, что внутри зон энергия электрона претерпевает непрерывные изменения (как это происходит в классической теории). Однако тот факт, что количество уровней конечно, имеет принципиальное значение. Совокупность энергетических уровней, на которые расщепляется кратный уровень, представляет собой так называемую энергетическую зону или, другими словами, зону кристалла. Зона,возникающая как результат расщепления N -кратного вырожденного основного уровня, носит название основной зоны, все остальные зоны определяются как зоны возбуждения.

Замечание 1

Энергетические зоны не могут быть отождествлены с пространственными зонами, областями пространства, в которых находится электрон.

В рамках зонной теории принимается тот факт, что электрон движется в постоянном электрическом поле, которое формируется ионами и остальными электронами. Ионы обладают сравнительно большими массами и считаются неподвижными. Электроны учитываются суммарно. Они определяются в виде отрицательно заряженной жидкости, которая заполняет пустующее пространство между ионами. В подобной модели роль электронов заключается в компенсации заряда ионов. Электрическое поле модели периодично в пространстве, место периодов занимают пространственные периоды решетки. Задание сводится к задаче о движении одного электрона в постоянном периодическом поле. Решение данной задачи в квантовой механике приводит к зонной структуре энергетических уровней.

Пример 1

Дайте описание зонных структур металлов, диэлектриков и полупроводников.

Решение

Электрические свойства тел зависимы от ширины запрещенной энергетической зоны и различий в заполнении разрешенных зон. Существование в разрешенной зоне свободных энергетических уровней является необходимым условием возникновения проводимости. На данный уровень поле сторонних сил может перенести электрон. Зону, которая является пустой или же заполнена лишь частично определяется как зона проводимости. В свою очередь, зона, заполненная электронами полностью, носит название валентной. Металлы, диэлектрики и полупроводники отличаются в области степени заполнения валентной зоны электронами, а также шириной запретной зоны. У металлов зона проводимости является частично заполненной и обладает свободными верхними уровнями. При условии T = 0 валентные электроны попарно заполняют нижние уровни валентной зоны. Локализованным на верхних уровнях электронам для того, чтобы перевести их на более высокие уровни достаточно подвести энергию 10 - 23 - 10 - 22 э В. У диэлектриков первая, являющаяся незаполненной зона, отделена от целиком заполненной нижней зоны с помощью широкой запрещенной зоны. Чтобы перевести электрон в свободную зону необходимо сообщить энергию большую или же эквивалентную ширине запретной зоны. Ширина запрещенной зоны диэлектриков является равной нескольким электрон вольтам. Тепловое движение не имеет возможности перевести в свободную зону большое количество электронов. У кристаллических полупроводников ширина запрещенной зоны между полностью заполненной валентной зоной и первой незаполненной зоной довольно мала. Если ширина запретной зоны эквивалентна нескольким десятым э В, энергии теплового движения хватает для того, чтобы перевести электроны в свободную зону проводимости. При этом вероятен переход электрона внутри валентной зоны на освободившиеся уровни.

Пример 2

Перечислите основные предположения зонной теории.

Решение

В качестве основных предположений зонной теории можно привести следующие:

• Ионы в узлах кристаллической решетки рассматриваются как неподвижные, так как они имеют относительно большую массу.
• Ионы являются источниками электрического поля. Это поле действует на электроны. Размещение положительных ионов является периодическим, так как они находятся в узлах идеальной кристаллической решетки.
• Взаимодействие электронов заменяют эффективным внешним полем. Электроны взаимодействуют в соответствии с законом Кулона. Это предположение позволяет заменить многоэлектронную задачу задачей с одним электроном.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Полупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.

1.1 Зонная теория полупроводников

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может(рис 1-1).

Рис.1-1 Энергетические зоны

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации(рис.1-2).

Рис.1-2 Кристаллическая решетка полупроводника

При удалении электрона остается дырка, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона. В чистом полупроводнике количество электронов и дырок одинаково n p =n n =n i .

Число носителей заряда n i =Ae ΔE /kT – зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.

Каждая ковалентная связь образуется парой электронов, составленной из одного электрона от первого, и одного - от второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть электронов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. Одновременно в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь - дырка. Такая связь может быть восстановлена за счет электрона соседнего атома, т.е. разрушения соседней ковалентной связи. Многократное повторение подобных ситуаций создает видимость перемещения дырки по объему кристалла, которая, имея положительный заряд, создает собственную дырочную проводимость полупроводника. Процесс генерации злектронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону количество энергии, достаточное для разрыва ковалентной связи. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом - рекомбинацией, то есть соединением электрона с дыркой с образованием нейтрального атома. В результате при постоянстве внешних условий в полупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих.

1.2 Примесные полупроводники

В чистом полупроводнике на образование пары требуется затратить значительное количество энергии и его проводимость при комнатной температуре весьма мала.

Значительно увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор Р, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом. Такие примеси называют донорными. а легированные ими полупроводники - полупроводниками n-типа. Проводимость примесного полупроводника принято называть примесной проводимостью. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными дырки.

Трехвалентный атом примеси, наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника. При этом образуется устойчивый отрицательный ион и дырка, Полупроводник с такими примесями называется полупроводником р-типа, сами примеси (алюминий Al, бор В, индий In.) - акцепторными. В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

В примесных полупроводниках при комнатной температуре практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии, причем количество созданных ими основных носителей намного превышает количество неосновных, возникающих путем обычной термогенерации электронно-дырочных пар. В результате этого примесная проводимость гораздо выше собственной проводимости полупроводника, в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов и определяется главным образом концентрацией легирующей примеси.

1.3 Полупроводниковый диод

Основой всех полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход). Он образуется на границе двух полупроводников с различными типами проводимости {глава 1.2} . Поскольку концентрация носителей заряда в области р-n перехода резко неоднородна, по законам диффузии основные носители (дырки в "р" области и электроны в "n" области), будут диффундировать в прилегающие области, создавая диффузионный ток.

Неосновные носители заряда (дырки в n-области и электроны в р-области) начнут дрейфовать в возникшем электрическом поле, создавая дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. В результате наступает динамическое равновесие, суммарный ток перехода будет равен нулю и на переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3-0,4 В для германиевых переходов и 0,7-1,0 В для кремниевых. Если к переходу подключить источник эдс положительным полюсом к р области, а отрицательным - к n области, то результирующая разность потенциалов на переходе уменьшится. Переход откроется и начнет проводить ток за счет возрастания диффузии основных носителей заряда из n-области в р-область. При этом дрейфовый ток через переход уменьшится. Такое включение перехода принято называть включением в прямом направлении (прямо смещенный переход).

Рис 1-3 Прямое включение p-n перехода

Приложение напряжения в обратном направлении (плюсом к n, а минусом - к р-области) приведет к увеличению разности потенциалов на переходе, а значит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Поскольку дрейфовый ток создается неосновными носителями заряда, которых в полупроводнике значительно меньше, чем основных, суммарный ток через переход будет очень мал. Такое состояние перехода принято называть закрытым.

Рис.1-4 Обратное включение p-n перехода.

При отсутствии внешнего электрического поля, диффузионный ток равен току проводимости.

I перехода =I диф -I пров =0.

1. Если приложенное внешнее поле усиливает поле перехода (+к n слою), то I диф уменьшится, I пров увеличивается.

I перехода = -I 0 (обратный ток).

2. Если ослабить поле перехода (+ к р слою), то I диф увеличивается, I пров уменьшится. I перехода >> I 0 , I перехода =I пр.

Поэтому p-n переход называется полупроводниковым диодом.

Его обозначение в схемах + p - n

Полупроводниковые приборы, состоящие из одного р-n перехода и предназначены для выпрямления переменного тока, называют выпрямительными диодами. В таких диодах используется основное свойство перехода - способность хорошо проводить ток только в одном направлении.

Характеристики полупроводникового диода

Рис 1-5 Прямая и обратная ветви характеристики диода

Основные параметры выпрямительного диода: максимальное значение выпрямленного тока Iвыпр, прямое падение напряжения на переходе при максимальном выпрямленном токе Uпр, максимально допустимое обратное напряжение Uo6p, величина обратного тока Iо при Uo6p. Обычно Iвыпр = 10 мА - 10 А; Unp = 0,2 - 1,5 В; Uo6p = 10 В – 1кВ Iо = 1 мкА - 100 мкА.

Если в выпрямительном диоде обратное напряжение превысит напряжение пробоя Uпроб (обычно Uo6p = 0,8Uпроб), ток резко возрастет и диод выйдет из строя, что объясняется увеличением числа носителей в области перехода под действием ударной ионизации в сильном электрическом поле и последующей усиленной термогенерацией разогревшегося перехода.

Маркировка (обозначение) диодов

В обозначении диода используют буквы и цифры:

Г (или 1) – германиевый диод; К (или 2) – кремниевый диод.

Рис 1-6 Внешний вид полупроводниковых диодов

1.4 Стабилитрон

Повышая концентрацию примесей {глава 1.2} , в кремниевых диодах можно добиться обратимости процесса электрического пробоя. При этом на обратной ветви ВАХ {глава 1.3} образуется участок, на котором большие изменения тока через переход вызывают небольшие изменения напряжения(рис.1-7). Диоды, имеющие такую ВАХ, называются стабилитронами, или опорными диодами, так как они используются для стабилизации напряжения.

Рис 1-7 Вольт амперная характеристика стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются: Iмин, Iмакс соответственно минимальный и максимальный токи стабилизации, определяющие рабочий участок ВАХ. Обычно значение Iмин лежит в пределах от 3 мА до 100 мА, а Iмакс - от 10 мА до 3 А.

Uстаб.ном - номинальное напряжение стабилизации, обычно от 1 до200 В;

Rдин=dU/dI - динамическое сопротивление, где dI,dU - приращения тока и напряжения на рабочем участке ВАХ, обычно Rдин=10- 100 Ом.

У стабилитрона обратное напряжение остается практически постоянным при условии

I обр макс>= I>= I обр, мин.

Рис.1-8 Схема включения стабилитрона

U нестаб = U стаб +I стаб R огран

U стаб = 3,3 В – 150 В

I стаб, мин = 2 – 5 мА

I стаб, макс = 30 – 500 мА

Стабилизирующие свойства характеризуются коэффициентом стабилизации:

K стаб =(ΔU нестаб U стаб) / (U нестаб ΔU стаб) К стаб = 5-10 .

Для повышения коэффициента стабилизации применяется каскадное соединение стабилизирующих ячеек.

Рис.1-9 Каскадное соединение стабилитронов

Недостаток многоячеечного стабилизатора - большие потери напряжения на ограничительных резисторах. Для увеличения стабилизированного напряжения применяется последовательное соединение стабилитронов.

Рис.1-10 Последовательное соединение стабилитронов

Если стабилитроны включить встречно,то при подаче на них переменного напряжения происходит двустороннее ограничение выходного напряжения(рис).

Рис.1-11 Встречное соединение стабилитронов

Параллельное соединение стабилитронов не применяется т.к. в момент включения всегда открывается стабилитрон с наименьшим Uстаб.и остальные стабилитроны остаются закрытыми.

Рис.1-12 Внешний вид стабилитронов

1-маломощный стабилитрон;

2-мощный стабилитрон с креплением на теплоотводе

1.5 Транзисторы

1.5.1 Структура транзистора

Транзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор со слоями чередующегося типа проводимости {глава 1.2} . Существуют транзисторы типа pnp и npn.

Рис.1-13 Структура транзистора

Эмиттер – p-полупроводник с большим количеством примесей.

База – n-полупроводник с малым количеством примесей. Слой базы очень тонкий,порядка 1 мкм.

Коллектор – p полупроводник со средним количеством примесей. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом, переход база-коллектор – коллекторным переходом.

Наиболее часто транзистор включается так,что эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

При включении транзистора из эмиттера в базу инжектируется большое количество дырок, которые путем диффузии распространяются в базе, доходят до коллекторного перехода и втягиваются им, образуя большой коллекторный ток. I к- ≈I э, но I к- < I э. Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:

I э = I б + I к и I к = αI э +I к0 , где α – коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). α=0,9 – 0,995.

Рис.1-14 Условные обозначения транзисторов

Рис.1-15 Внешний вид транзисторов различной мощности

1.5.2 Схемы включения транзистора

1. Схема с общей базой (ОБ)

Рис.1-16 Схема ОБ

Транзистор можно использовать для усиления сигнала. Если U кб >>U эб и R к >> R э, тогда при почти одинаковых токах в цепи эмиттера и коллектора на R к будет значительно большее падение напряжения чем на R э, то есть происходит усиление напряжения, а значит и мощности сигнала.

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ):

Рис.1-17 Схема ОЭ

Транзистор включенный по схеме ОЭ усиливает как напряжение так и ток. I э = I к + I б и I к = βI б +(β+1)I кб0 , где β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. β=α/(1-α), зависит от толщины базы и находится в пределах β=10 – 200.

3.Схема с общим коллектором (ОК)

Рис.1-18 Схема ОК

В этой схеме U вых < U вх, но U вых ≈ U вх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз. Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).

1.5.3 Характеристики транзистора (схема ОБ)

Рис.1-19 1,2 Входная и выходная характеристики

1. Входные характеристики: I э =f(U эб) при U кб =const.

2. Выходные характеристики: I к =f(U кб) при I э =сonst.

3 Проходные характеристики: I к =f(I э) при U кб =const.

Рис 1-19 Проходная характеристика

При Uк = 0 входная характеристика является прямой ветвью BАX эмиттерного р-n - перехода. С ростом Uкб ВАХ смещается влево, так как рост обратного тока коллектора дополнительно открывает р-n переход и Iэ ≠ 0 при Uэб = 0. Для Iэ= 0 выходная характеристика является обратной ветвью коллекторного перехода. Если же Iэ> 0 , то Iк> 0 даже при Uкб = 0 за счет захвата инжектированных эмиттером носителей заряда полем потенциального барьера коллекторного перехода. При этом с ростом Uэб Iэ быстро достигает максимального значения, так как уже при малых Uкб основная часть инжектированных носителей захватывается коллектором.

1.5.4 Физическая модель транзистора

При расчете электронных схем реальный транзистор в схеме заменяется нижеприведенной моделью,которая достаточно точно отображает его свойства.

Рис.1-20 Физическая модель транзистора

R э =10 – 30 Ом, R б =100 – 300 Ом, R к =10 4 - 10 5 Ом

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник:

Рис.1-21 Транзистор как четырехполюсник

Тогда его можно описать системой h параметров:

Для определения h-параметров, воспользуемся методом короткого замыкания и холостого хода.

a) Короткое замыкание на выходе. Следовательно U 2 =0.

h 11 =Z вх - входное сопротивление

h 21 б =α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой

h 21 Э =β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

b) Холостой ход на входе (I 1 =0),тогда

U 1 =h 12 U 2 , h 12 =U 1 /U 2 – коэффициент обратной передачи по напряжению

I 2 =h 22 U 2 , h 22 =I 2 /U 2 =y вых - выходная проводимость.

1.5.5 Полевые (канальные) транзисторы (ПТ)

ПТ - полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. В ПТ, в отличие от биполярного транзистора {глава 1.5.1} , по полупроводниковому каналу перемещаются носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки).

Канал - это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, регулирующий поперечное сечение канала, называется затвор.

ПТ изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Это полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n переход. На рисунке 1-22 приведена структура, схема включения и условное обозначение ПТ с каналом n-типа и затвором в виде р-n перехода.

В ПТ с каналом n-типа основные носители заряда в канале - электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока. Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора.

Поэтому в ПТ с каналом n-типа Uси>0, Uзи<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.

Рис 1-22 Полевой транзистор

1-вывод стока;2-затвор;3-канал;4-вывод затвора;5-вывод стока

На рисунке 1-23 показано как происходит изменение поперечного сечения канала из-за изменения ширины запирающего слоя при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n переход между затвором и каналом (рис. 1-23а) возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению ширины канала.

Рис.1-23. Перекрытие канала ПТ при различных напряжениях на электродах

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис.1-236), вызывает появление неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжение Uси>0 и Uзи <0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи, определяют выходные или стоковые характеристики (рис,1-24).

Рис.1-24.Выходная вольтамперная характеристики ПТ с каналом n-типа.

На начальном участке характеристики Uси + |Uзи| < Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам ПТ можно построить переходную характеристику Iс =f(Uзи) . На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси.

Входная характеристика ПТ: Iз = f (Uзи) не используется, так как переход между затвором и каналом закрыт, ток затвора очень мал и им можно пренебречь.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Это полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом, находится тонкий слой диэлектрика (SiO2), a р-n переход отсутствует. Такие ПТ называют МОП-транзисторами (структура металл - диэлектрик - полупроводник).

Рис.1-25 Полевой транзистор с изолированным затвором

Вольтамперные характеристики ПТ с изолированным затвором аналогичны характеристикам ПТ с затвором в виде р-n перехода. Но изолированный затвор позволяет работать и при напряжении Uзи>0, когда канал расширяется и увеличивается ток Iс.

Основные параметры ПТ:

1) крутизна переходной характеристики S = dIc/dUзи при Uси = const и

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc=dUси/dIс при Uзи = const.

1.6 Другие полупроводниковые приборы

1.6.1 Тиристоры

Рис.1-26 Тиристор

Тиристор-четырехслойный полупроводниковый прибор..Содержит четыре слоя чередующегося типа проводимости {глава 1.5.1} , образующих три перехода (рис.1-25) К крайним слоям прикладывается прямое напряжение, но средний 2-й переход включен в обратном направлении и ток в цепи очень мал (участок 1). При некотором напряжении U вкл начинается лавинный пробой и ток резко возрастает (участок 3)-тиристор включается.

К среднему р (или n) слою подключен вывод управляющего электрода У . Прикладывая к нему небольшое напряжение U упр можно уменьшить напряжение включения U вкл.

На рис.1-27 показан процесс включения тиристорв с помощью управляющего электрода.Между источником и нагрузкой R нагр включен тиристор. Так как U пит < U вкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины I выкл. При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.

Рис 1-27 Схема управления тиристором

1.6.2 Фотоэлектронные полупроводниковые приборы

Существует целый ряд диодов, использующих самые различные явления и эффекты, имеющие место в р-n переходе {глава 1.3} . Так, варикап (емкость, управляемая напряжением) использует зависимость емкости обратносмещенного перехода от приложенного напряжения. Фотодиод основан на явлении генерации носителей заряда в область перехода и возникновении фотоэдс под действием света. Светодиод основан на свойстве электронно-дырочных пар испускать квант света при их рекомбинации и т.д.

Рис.1-28 Виды оптоэлектронных приборов

Рис.1-29 Фотодиод в режиме генерации фотоЭДС.

При освещении р-п перехода происходит разрыв ковалентных связей образовавшиеся неосновные носители {глава 1.5.1} втягиваются переходом В слоях возрастает количество основных носителей (в р-слое - дырок, в п-слое - электронов), что создает разность потенциалов между слоями, зависящую от освещенности перехода(рис 1-29).

Рис.1-30

Если в цепь фотодиода включить источник ЭДС в обратном направлении (рис1-30), то при освещении возрастает количество носителей и обратный ток возрастает пропорционально величине светового потока Ф.Возникающий ток почти не зависит от величины приложенного напряжения(рис 1-31).

Рис.1-31 ВАХ фотодиода Рис.1-32 Включение светодиода

Светодиод представляет собой излучающий р-п переход,свечение которого вызвано рекомбинацией носителей при смещении перехода в прямом направлении под действием приложенного напряжения (рис.1-32).

Фототранзистор -это обычный транзистор {глава 1.5.1} , в корпусе которого сделано окошечко, через которое световой поток попадает на базу При освещении базы фототранзистора образовавшиеся носители втягиваются переходами, увеличивается ток базы. Это вызывает значительно большее изменение тока коллектора, так как транзистор подключен к источнику ЭДС.

Оптрон - полупроводниковый прибор, в котором происходит передача сигналов от входной к выходной части электронного устройства с помощью фотонов, без использования гальванических, магнитных или иных связей.

Оптрон состоит из светодиода, оптическое излучение которого воздействует на светоприемник - фоторезистор, фототиристор или фототранзистор. Оба полупроводниковых элемента заключены в общий корпус. Выводы от светодиода являются входом, а выводы от свето-приемника - выходом оптрона. Величиной выходного сигнала оптрона управляют, изменяя величину входного сигнала.

1.6.3 Интегральные микросхемы

Микросхема - это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определеннуо функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов. диодов. резисторов. конденсаторов и др.), изгототовленных в едином технологическом цикле.

Микросхемы изготавливают групповым методом, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупрововодниковые. пленочные и гибридные. В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки, в пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности. В гибридной микросхеме в качестве активных электрорадиоэлементов используется навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов-пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка.Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга. теплоотвода.Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин.

Для полупроводниковых микросхем используюг монокристаллические полупроводниковые (кремний,арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир) подложки.На них в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала,в котором создают элементы микросхем.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К. которая характеризуется числом содеращихся в ней элементов и компонентов N: К =lgN. где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

а) Малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1- 2-й степени интеграции, содержащие от нескольнж до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов. Например, логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т.д.

в) Средние интегральные схемы [СИС] - схемы 2-3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство).

г) Большие интегральные схемы (БИС) - схемы 3-4-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов. в состав которых входят одно или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство,перепрограммируемое постоянное запоминающее.

д) Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС] - это интегральные схемы 5-7 степени интеграции представляющиесобой законченное микроэлектронное изделие,способное выполнять функции аппаратуры (например, микропроцессор).

Рис.1-33 Полупрводниковая ИС

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы. На рис.1-33 показаны полупроводниковая микросхема инвертора и его принципиальная схема. Элементы для наглядности расположены в одну линию.Все элементы размещены в одной кремниевой пластине {глава 1.2.1} р-типа. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы размещаются в островках, изолированных от подложки. Сверху подложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соединяющие элементы между собой.

Для производства микросхем применяется планарная технология, помогающая одновременно получать большое количество микросхем в едином технологическом процессе. На одной пластине кремния создаются различные структуры, образующие законченную схему, включающую активные и пассивные элементы.

Основными полупроводниковыми материалами, на которых в настоящее время изготавливаются полупроводниковые микросхемы являются кремний и германий.Однако более перспективным. является кремний. Сн легко поддается селективной диффузии, имеет более высокое сопротивление и позволяет расширить интервал рабочих температур микросхем. На поверхности кремния легко создается окисная пленка. которая служит защитным покрытием при проведении ряда технологических операций и предохраняет готовую схему от внешних воздействий.

Рис.1-34 Фотошаблоны

После окисления поверхности пластины необходимо выделить на ней локальные области, в которые должна проводиться диффузия. Для этой цели применяют метод фотолитографии. Для изготовления микросхем нужно несколько (5-20) разных фотошаблонов. На рис.1-34 показан набор фотошаблонов для изготовления несложной микросхемы.

Описанный процесс изготовления позволяет получить сразу несколько десятков микросхем средней и высокой степени интеграции, т. е. столько, сколько может быть размещено на одной пластине кремния диаметром около 70 мм. Пластина разделяется на отдельные микросхемы. которые герметизируются в корпусе. Предварительно контактные площадки микросхемы соединяются проводниками с выводами корпуса.

2 Усилители

2.1 Основные параметры

Электронный усилитель - это устройство, повышающее напряжение, ток и мощность электрического сигнала за счет управ­ления током мощного источника питания. Практически везде, где применяются электронные устройства, электрические сигналы приходится усиливать, причем в каждом конкретном устройстве требуются свои параметры, и характеристики усилителя. Выпускать готовые усилительные устройства с очень широкой номенклатурой, удовлетворяющие любого потребителя, практически невозможно. Поэтому промышленностью освоен выпуск ряда базовых электронных усилителей, параметры и характеристики которых можно перестраивать внешними цепями, Особое место среди них занимают операционные усилители (ОУ), которые в настоящее время являются универсальными базовыми элементами для построения электронных усилителей и других аналоговых узлов электронной аппаратуры.

Параметры и характеристики усилителей на основе ОУ

Список основных параметров электронных усилителей содержит более 30 наименований. Одним из важнейших параметров является коэффициент усиления по напряжению Кu - отношение выходного напряжения усилителя к входному напряжению.

Кu =Uвых /Uвх.

Такие параметры как входное сопротивление Rвх и выходное сопротивление Rвых позволяет оценить согласование электронного усилителя с другими электронными узлами, подключенными к усили­телю.

Входное сопротивление Rвх позволяет рассчитывать влияние входной цепи усилителя на электрические параметры устройства, подключенного к ней, и определять мощность, потребляемую вход­ной цепью усилителя.

Rвх = dUвх / dIвх, где

dUвх - приращение напряжения на входе усилителя;

dIвх - соответствующее dUвх приращение тока на входе усилителя.

Ряд параметров, таких как напряжение смешения Uсм, входной ток Iвх, нелинейность коэффициента усиления (зависимость К от входного напряжения), максимальный размах выходного напряжения и прочие, определяют отличие свойств реальных усилителей от идеального линейного усилителя и позволяют определять погрешности усиления входного сигнала. Для этих же целей вводится ряд характеристик усилителей - амплитудно-частотная, фазочастотная, температурная, амплитудная и пр., позволяющих проследить зависимость основных параметров усилителей от параметров сигнала внешних цепей и окружающей среды.

2.2 Характеристики усилителя

2.2.1 Амплитудная характеристика

Рис.2-1 АХ усилителя

АХ определяет зависимость амплитуды выходного сигнала (тока,напряжения или мощности) от амплитуды входного сигнала А 2 =F(А 1).

Рабочая область усилителя характеризуется его динамическим диапазоном. D дб =20Lg(U 1 max /U 1 min) – динамический диапазон, выраженный в децибелах(дБ) (10раз – 20дБ, 100раз – 40дБ, 1000раз – 60дБ. и т.д.). Реальный динамический диапазон усилителя около 60 дБ.

2.2.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Рис.2-2 Зависимость коэффициента усиления от частоты

Коэффициент усиления усилителя К изменяется с изменением частоты усиливаемого сигнала f. Зависимость K=F(f) содержит информацию как о коэффициенте усиления, так и о частотных свойствах.

Рис.2-3 АЧХ различных усилителей

Чтобы исключить коэффициент усиления вводится параметр M=К f /К 0 – коэффициент частотных искажений. Частотные свойства определяются АЧХ – это зависимость M=F(f), где f-частота.

Рис 2-4 Типичная АЧХ усилителя

Наиболее часто встречается АЧХ вида, показанного на рис.

Здесь f н – нижняя граничная частота, f в – верхняя граничная частота.

∆f=f в -f н – полоса пропускания.

Если ∆f>>f 0 – усилитель широкополосный. Когда ∆f<

2.2.3 Фазо-частотная характеристика

Рис.2-5 Осциллограммы входного и выходного сигналов

Выходной сигнал усилителя может быть сдвинут по фазе по отношению к входному. Зависимость этого сдвига от частоты и является фазочастотной характеристикой.

Рис.2-6 – ФЧХ усилителя

В усилителях звуковой частоты ФЧХ не используется, так как ухо не различает фазовые искажения. В видеоусилителях фазовые искажения жестко нормируются, потому что они приводят к большим искажениям изображения.

2.2.4 Переходная характеристика.

Рис.2-7 ПХ усилителя

Переходной характеристикой называется функция h(t), где h(t)=U 2 /U 2∞ , t 0,9 -t 0,1 =t н – время нарастания сигнала δ i – выбросы в ПХ.

Для видеоусилителей t н =0,1-1мкс

В видеотехнике допустимы выбросы δ i 10%.

2.2.5 Типовой усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

Рис. 2-8 Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером

R к – нагрузочный резистор, на нем ∆I к создает падение напряжения ∆U R н =∆I к R н, которое является выходным сигналом. R н =(1 – 10) кОм;

R 1 ,R 2 – делитель напряжения, который устанавливает небольшой положительный потенциал на базе по отношению к эмиттеру. (100 – 300) кОм;

С 1 и С 2 – разделительные конденсаторы, отделяющие постоянную составляющую сигнала на входе и выходе транзистора. (1 – 5)мкФ;

R Э – резистор эмиттерной термостабилизации. Резко уменьшает изменение тока транзистора при его нагревании. (500 Ом – 2 кОм);

С Э – конденсатор, восстанавливает усиление переменной составляющей, уменьшившейся из-за включения R Э. (500 – 5000) мкФ;

Поданное входное напряжение U вх, вызывает изменение ∆U ЭБ, что в свою очередь вызывает изменение коллекторного тока. А изменение коллекторного тока вызывает изменение ∆U к. Так как Rк можно выбрать достаточно большим, то маленькие изменения ∆U бэ вызывают значительно большие изменения ∆U к, т.е. происходит усиление сигнала.

Параметры и характеристики усилителей можно регулировать с помощью обратных связей. Обратной связью называется связь между входом и выходом усилителя, при которой часть энергии с выхода подается на вход усилителя. Устройство, связывающее выходную цепь усилителя с входной, называется звеном обратной связи. В - коэффициент передачи звена обратной связи, он обычно задается пассивными цепями (резисторы, конденсаторы, индуктивности). По способу подключения входной цепи звена обратной связи В к выходным зажимам усилителя К различают обратную связь по напряжению (рис 1) и по току (рис.2). По способу подключения выходной цепи звена обратной связи к входным зажимам усилителя различают последовательную (рис.З) и параллельную (рис 4) обратную связь. В зависимости от того, складывается выходное напряжение (ток) с входным напряжением (током), или вычитается, обратная связь соответственно называется положительной (ПОС)или отрицательной (ООС). Чаще всего применяется ООС, т.к. ПОС приводит к неустойчивисти.

Рис.2-9 Виды обратной связи

Обозначения на рисунках 1,2,3,4:

Uг - источник сигнала с напряжением U;

Rг - внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала;

К - усилитель с коэффициентом усиления К;

В - звено обратной связи с коэффициентом передачи В;

Rн - нагрузочное сопротивление.

Любая отрицательная обратная связь (ООС) приводит к уменьшению коэффициента усиления и его стабилизации.

Последовательная ООС по напряжению увеличивает Rвх и уменьшает Rвых.

Последовательная ООС по току увеличивает Rвх и увеличивает Rвых.

Параллельная ООС по напряжению уменьшает Rвх и уменьшает Rвых.

Параллельная ООС по току уменьшает Rвх и увеличивает Rвых.

Кос - коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению рассчитывается по формуле: Кос = К / (1 + К В) = Uвых / Uг Rвх.ос и Rвых.ос - входное и выходное сопротивление усилителя в этом случае находится из соотношений:

Rвх ос =Rвх (1+ ВК); (2)

Rвых ос= Rвых / (1 + BK). (3)

Для параллельной ООС по напряжению Rвх рассчитывается по формуле:

Rвх ос = R1 + 1 / Rвх + (1 + КВ) (4)

Определим,например,коэффициент усиления усилителя К ос, охваченного последовательной ООС по напряжению рис.2-10.

Рис.2-10 Последовательная ОС по напряжению

β=U ос /U 2 ; U ос =U 2 β;

К=U 2 /(U 1 -U ос)=U 2 /(U 1 -U 2 β);

U 2 =КU 1 -КβU 2 ; U 2 =КU 1 /(1+Кβ); Следовательно:

К ос =U 2 /U 1 =К/(1+Кβ) – коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью,

1+Кβ=А – глубина обратной связи; К ос =К/А.

При введении ООС глубиной А, коэффициент усиления уменьшается в А раз, но одновременно с этим уменьшается приблизительно в А раз нестабильность коэффициента усиления, вызванный изменением температуры и напряжения питания, разбросом параметров элементов схемы, а также шумы и фон переменного тока.

Если А=2 – 5, то глубина обратной связи считается малой.

Если А=5 – 20 средняя глубина обратной связи

Если А>20 глубокая обратная связь.

2.3.2 Обратные связи в усилителях

Рис.2-11 Эмиттерный повторитель

Усилитель рис 2-11 охвачен последовательной ОС по напряжению. Коэффициент передачи цепи ОС β=1и К ос =К/(1+Кβ)=К/(1+К)~1, поэтому схема называется эмиттерный повторитель (ЭП). ЭП используется как выходной каскад, когда в качестве нагрузки включен кабель или сопротивление нагрузки мало, а также для развязки отдельных блоков устройства.В таком усилителе транзистор включен по схеме ОБ.

Пример ОС в двухкаскадном усилителе

Рис.2-12 Двухкаскадный усилитель

Усилитель рис.2-12 с общей последовательной ООС по напряжению (с помощью R ос), кроме того первый каскад охвачен местной последовательной ООС по току (с помощью R э1). Конденсатор С э1 отсутствует так как он закоротил бы цепь обратной связи.

Рис.2-13 Эквивалентная схема усилителя

Последовательная ООС по напряжению уменьшает R вых и увеличивает R вх, в А=1+Кβ раз.

Параллельная ОС по напряжению также уменьшает R вых в А=1+Кβ раз, но также уменьшает и входное сопротивление.

Для того, чтобы усилитель мог использоваться в самых различных условиях, желательно чтобы R вх было возможно больше, а R вых меньше (рис.2-13). Поэтому наиболее часто встречается последовательная ОС по напряжению

2.3.3 Термостабилизация транзисторного усилителя

В процессе работы транзистор нагревается, его ток восрастает и нормальная работа нарушается. Для уменьшения этого явления применяется ООС.

а)Термостабилизация с помощью последовательной ООС рис.2-11. В этой схеме Uэ-напряжение обратной связи, Uэб=U1-Uэ – управляющее напряжение. При нагревании возрастает I к, увеличивается U э, что приводит к уменьшению U эб и I к., коллекторный ток стабилизируется.

б) Термостабилизация с помощью параллельной ООС.

Обратная связь создается с помощью резистора, включенного между базой и эмиттером. С возрастанием коллекторного тока при нагреве транзистора, возрастает падение напряжения на R к U R к =I к R к, а потенциал коллектора U к =U пит -U R к уменьшается, что уменьшает ток базы а, значит и ток коллектора. Поэтому резистор R б при таком включении создает ООС, стабилизирующую ток тразистора.

2.4 Усилители постоянного тока

2.4.1 УПТ на транзисторах.

Рис.2-14 Несимметричный УПТ

Это усилители, усиливающие сигналы, начиная с частоты f=0. Поэтому в них никогда не применяются конденсаторы. С помощью делителя R 1 , R 2 устанавливается потенциал U В =U А при U вх =0, U вых =U А -U В =0. УПТ подвержены явлению дрейфа, который состоит в том, что U вых медленно меняется случайным образом, даже когда U вх = сonst.

Причины дрейфа:

Нестабильность транзисторов и резисторов при изменении температуры,

Старение элементов,

Нестабильность источников питания.

Для уменьшения дрейфа применяются высокостабильные резисторы, транзисторы с малым дрейфом, стабилизация напряжения питания.

Существуют схемные методы уменьшения дрейфа. Один из них – применение балансных схем усиления.

Рис.2-15 Балансный УПТ

Если транзисторы VT1 и VT2 имеют приблизительно одинаковый дрейф, то с течением времени U А и U В будут меняться одинаковым образом, а их разность U А -U В =cоnst, то есть дрейф значительно уменьшается.

При подаче усиливаемого сигнала на VT1, U АВ меняется в противофазе с U вх. Вход VT2 также можно использовать для подачи сигналов, тогда U АВ меняется в одинаковой фазе с U вх. Поэтому U вх2 – прямой вход U вх1 – инверсный вход.

2.4.2 Операционные усилители

ОУ – усилитель электрических сигналов, изготовленные в виде интегральной микросхемы с непосредственными связями(УПТ)2.4.1 и предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в цепях с ООС.

Рис.2-16 Схемное обозначение ОУ

2.4.2.1 Способы включения ОУ

1. Инвертирующий ОУ:

Рис.217 Инверсное включение ОУ

Так как Uа=U2/Kоу очень мало, то вход А называется виртуальный ноль. Рассматриваем идеальный ОУ у которого R вх =∞, R вых =0, К U ,оу =∞. I=E/(R 1 +R г) (1); I 2 =-I 1 (2); I 2 =U 2 /R ос (3); подставим (1) и (3) в (2),тогда получим: U 2 /R ос =-E/(R 1 +R 2); К инв =U 2 /E=-R ос /(R 1 +R г) (4)

Если R г =0, то |К инв |=R ос /R 1

При установке R 2 =R 1 II R ос существенно уменьшается дрейф усилителя.

R вх,инв =R 1 ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению, поэтому R вых.инв. =0.
Усилитель называется инвертирующим,так как выходное напряжение противофазно (инверсно) по отношению к входному.На это указывает и знак минус в формуле (4).

2. Неинвертирующий ОУ:

ОУ охвачен последовательной ООС по напряжению (Рис.2.18). В данной схеме R г не влияет на усиление.Так как потенциалы на входах очень близки, то Е=U R 1 =U 2 R 1 /(R 1 +R ос). Поэтому К не инв =U 2 /E=(R 1 +R ос)/R 1 =1+R ос /R 1 =1+|К инв |

Рис.2-18 Неинвертирующий ОУ

Во второй схеме R ос =0, поэтому K не инв =1 и она является повторителем.

Рассматриваемые усилители называются операционными, потому что они могут выполнять различные операции:

1) Сложение сигналов подаваемых на один и тот же вход.

2) Вычитание сигналов подаваемых на разные входы.

3) Включая в цепь ОС нелинейные элементы (диоды) можно выполнять логарифмирование и потенцирование.

4) Включая в цепь ОС реактивные элементы (С) можно выполнять операции интегрирования и дифференцирования.

2.4.2.2 Регулировка усиления ОУ

Усиление можно регулировать простым изменением R 1 и R ос {глава 2.4.2.1} .

Недостатки способа: меняется режим по постоянному току и входное сопротивление, получается нелинейная регулировка при изменении R 1 .

1).Дискретная установка К u ;

Рис.2-19 Регулировка усиления переключателем

Глубина обратной связи изменяется переключателем в цепи ОС.

2) Плавная установка К ос (рис.2-20)

Рис.2-20 Регулировка усиления потенциометром

2.4.2.3 Избирательные усилители на ОУ

Их АЧХ {глава 2.2.2} имеет вид рис.2-21

Рис.2-21 АЧХ избирательного усилителя

Усилители строятся с использованием частотно-избирательных цепей, например, моста Вина.

Рис 2.22 Мост Вина и его АЧХ

Данная R-C цепь включается в цепь положительной обратной связи ОУ(рис.2-23)

Рис.2-24 Избирательный усилитель на ОУ

Во избежание самовозбуждения, коэффициент усиления усилителя с обратной связью должен быть Кос<3.Для этого нужно очень точно устанавливать сопротивления R1 и Rос.

Избирательный усилитель на основе 2Т – моста

Рис.2-25 2Т мост и его АЧХ

2.4.2.4 Некоторые применения ОУ

Рис.2-26 Преобразователь силы тока в напряжение

Так как входной ток и ток в цепи обратной связи равны (рис.2-26), то выходное напряжение пропорционально входному току.

Рис.2-27 Преобразователь напряжения в ток: нагрузки R н

В этом случае рагрузка включается в цепь обратной связи (рис.2-27).

Рис.2-28 Стабилизатор напряжения на ОУ

Схема рис.2-28 позволяет регулировать U стаб2 =-U стаб1 R ос /R 1 путем изменения R ос.

Недостаток : небольшие токи, которые можно снимать с ОУ. Для увеличения тока на выходе схемы устанавливается эмиттерный повторитель {глава 2.3.2} на мощном транзисторе.

Рис.2-29 Выход стабилизатора с защитой от перегрузки

При возрастании тока нагрузки R н (например при коротком замыкании) ток VT1 увеличится до недопустимой величины, но при этом возрастает напряжение на резисторе R доб оно открывает VT2. Через VT2 база VT1 оказалась соединенной с эмиттером и VT1 закрывается. Напряжение на R доб стремится к нулю. VT2 закрывается. Снова наступает перегрузка и процесс повторяется,в результате U стаб имеет форму (1).

Рис.2-30 Питание ОУ от двух источников Рис 2-31 Схема с делителем на стабилитронах.

Для нормальной работы cхемы рис.2-31 необходимо, чтобы ток в цепи стабилитронов I стаб >= 1,5I оу.

Недостаток схемы:: U>U 1 +U 2 так как на R огр. падает дополнительное напряжение.

Рис.2-32 Схема с делителем на резисторах

Для нормальной работы данной схемы рис 2-32 необходимо: I R1,R2 >=10I оу

3 Выпрямители

3.1 Общая теория

Выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянный. Они применяются для питания практически всех устройств на полупроводниковых и интегральных элементах, в промышленных установках по электросварке и выплавке металлов, в технологии с процессами электролиза, в электроприводах различных транспортных средств и т.д. В зависимости от числа фаз различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. По величине мощности выпрямители делят на выпрямители малой, средней к большой мощности. Выпрямители малой мощности, как правило, являются однофазными, средней и большой мощности - трехфазные.

Обобщенная блок-схема выпрямителя малой мощности приведена на рис.3-1. Напряжение сети переменного тока с помощью трансформатора Тр преобразуется в напряжение требуемой величины U2 и затем подается на блок В, собранный на полупроводниковых или каких-либо других диодах {вентилях), на выходе которого напряжение Uв становится однополярным, но по величине изменяющимся во времени (пульсирующим), Часто после блока В ставят фильтр Ф,

Рис3-1 Блок схема выпрямителя малой мощности

Обычно состоящий из пассивных элементов типа С и L и реже из активных элементов - транзисторов, хорошо пропускающих в нагрузку только постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При правильно выбранных элементах фильтра Ф на его выходе напряжение Uф имеет очень малые пульсации. Если вентильный преобра­зователь В собран на управляемых элементах (тиристорах, транзисторах), то в него добавляет­ся система, управляющая процессами открытия и закрытия вентилей (СУ).

Выпрямленное напряжение в нагрузке может сильно меняться как из-за суточного колебания напряжения сети переменного тока, так и в результате изменения величина тока нагрузки. Для обеспечения требуемой стабильности напряжения на нагрузке применяется стабилизатор выпрямленного напря­жения (Ст).

Эксплуатационные свойства выпрямителей характеризуют следующие основные величины:

а. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока (U 0 ,I 0).

б . Коэффициент полезного действия (кпд).

в . Коэффициент пульсаций р, определяемый отношением амплитуды первой гармоники U m 1 выпрямленного напряжения к величине его средней составлявшей U 0 р=U m 1 / U 0 .

г. Внешняя характеристика - зависимость выходного (выпрямленного) напряжения от величины потребляемого нагрузкой тока U 0 =f(I н).

д. Регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла управления (времени включения) вентилей.

3.2 Однополупериодный выпрямитель.

Выпрямление основано на односторонней проводимости (вентильных свойствах) полупроводниковых диодов {глава 1.3} . Схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя и диаграммы выпрямленного напряжения Uн и тока Iн приведенs на рис.3-2. Силовой трансформатор Тр необходим для получения напряжения требуемой величины, а в радиоэлектронике и для разделения цепей нагрузки Rн и сети переменного тока. Диод D (рис.2-34а) проводит ток в тот полупериод переменного напряжения, когда потенциал Uб > Ua. Ток протекает по цепи В - Rн - D – A. Во время второго полупериода переменного напряжения Ua > Ub диод закрыти тока в цепи практически нет. Пульсирующий ток Iн создает на нагрузке пульсирующее напряжение Uн той же формы (рис.3-2б).

Рис.3-2 Однополупериодный выпрямитель

3.3 Двухполупериодный выпрямитель

Он изображен на рис.3-3а, позволяет получить в нагрузке ток, протекающий в течение обоих полупериодов переменного напряжения. Достигается это применением двух вторичных обмоток АВ и ВС и двух диодов. Пусть в первый полупериод Ua > Ub > Uс.Тогда ток протекает по цепи А – D1 - Rн - В, как и в случае однополуприодного выпрямления. Во время второго полупериода Ua < Ub < Uс и ток протекает по цепи С - D2 – Rн - В. Направление тока через нагрузку остается неизменным. Форма выпрямленного тока и напряжения (временная диаграмма) в этом случае показана на рис.3-3в.

Рис.3-3 Двухполупериодные выпрямители

Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного напряжения. Вторичная обмотка трансформатора выпрямителя рис3-3а имеет вдвое больше витков, чем у трансформатора рис3-2а. Это увеличивает габариты и стоимость блока выпрямителя. Такого недостатка нет у мостового двухполупериодного выпрямителя (рис.3-3б). Когда потенциал Ua > Uб, ток протекает по цепи А-D1-Rн-D3-В. Во время второго полупериода Uб > Ua и путь тока В-D4-Rн-D2-A. Направление тока через Rн остается неизменным и, таким образом, осуществляется двухполупериодное выпрямление. Временные диаграммы выпрямителя рис.3-3в такие же, как и выпрямители рис.3-За.

3.4 Фильтры

В качестве простейшего фильтра используется конденсатор С достаточно большой емкости, подключенный параллельно нагрузке. Заменив трансформатор вместе с вентилями (например, в схеме рис.2а) эквивалентным генератором с напряжением Uв и внутренним сопротивлением r x , получим схему замещения выпрямителя (рис3-4а). В ней r x определяется суммарным сопротивлением вентилей и обмоток трансформатора, U в - величина выпрямленного напряжения в режиме холостого хода (Rн=оо). Из законов Кирхгофа следует, что напряжение на нагрузке (клеммы cd) будет равно:

Рис 3-4 Схема замещения выпрямителя

Uн = Uв-(Iс+ Iн)r x , (1)

где Iс - ток зарядки конденсатора, Iн - ток нагрузки.

НА рис 3-4 приведены также осциллограммы для однополупериодного (верхняя) и для двухполупериодного (нижняя) выпрямителей В течение времени t1-t2 , когда величина U2 возрастает, конденсатор Со заряжается током Iс, а в интервале t2-t3 он частично разряжается через Rн, так как при этом диоды блока вентилей закрыты и не позволяют ему разряжаться через обмотку трансформатора. Такой фильтр зна­чительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Качество сглаживания характеризуется коэффициентом пульсаций р, выраженным в процентах

p = (Um / Uo) *100% ,

где Um - амплитуда первой гармоники,

Uo - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр уменьшает пульсации до 5-15 % по сравнению с 157% и 66,7% соответственно для однополупериодиого и двухполупериодного выпрямителей без фильтра. Величина коэффициента пульсаций с емкостным фильтром определяется по формулам

р = 600 Iо / UoCo - для одноподупериодного выпрямителя и

р = 300 Io / UoCo - для двухполупериодного.

Здесь Сo - в мкФ, Io - в мA, Uo- в В.

Для питания электронной аппаратуры допускается р=0,05–1% и менее, поэтому применяются более сложные фильтры.

Величина пульсаций существенно уменьшается также блоком стабилизации Ст.(рис 3-1).

Расчетные формулы для выпрямителей

Рис.3-5 Однополупериодный выпрямитель

1) Расчет диода: Iмакс=7I 0 , U обр=3 U 0

2) Расчет трансформатора: U 2 =0,75U 0 + I 0 (R i +R тр)/265

R i – внутреннее сопротивление диода R iGe =500/I0(мА), R iSi =100/I0(мА).

R тр – сопротивление внутренних обмоток трансформатора R тр =500U 0 /(I 0 (U 0 I 0) 1/4), Ток вторичной обмотки: I 2 =2I 0 +12U 0 /(R i +R тр)

3) Расчет конденсатора: U C 0 =1,2U 0 р 0 =600I 0 /U 0 C 0 ; C 0 =600I 0 /U 0 р 0 .

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

1) Выбор диода: Uобр=3U 0 , Iмакс=3,5I 0

2) Выбор трансформатора: U 2 =0,75U 0 +I 0 (Ri+Rтр)/530

Rтр=1000/I 0 (U 0 I 0) 1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: С 0 =300I 0 /U 0 P 0 (%); U C 0 =1,2U 0

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

1) Uобр=1,5U 0 , Iмакс=3,5I 0

2) U 2 =0,75U 0 +I 0 (2R i +R тр)/530; R тр =830/I 0 (U 0 I 0) 1/4 ; I 2 =21/2 I 0 +16,6U 0 /(2R i +R тр)

3) С 0 =300I 0 /U 0 р 0 (%); U C0 =1,2U 0

Расчет для Г-образного фильтра:

a) LC – фильтр

Рис.3-6 Г-образный LC фильтр

Для однополупериодного Для двухполупериодного выпрямителя

LC=10р 0 /р LC=2,5р 0 /р

b) RC – фильтр

Рис.3-7 Г-образный RC фильтр

Элементы фильтра определяются из выражений:

Для однополупериодного для двухполупериодного выпрямителя

RC=3000р 0 /р RC=1500р 0 /р

4 Стабилизаторы

4.1 Параметрические стабилизаторы

Напряжение на выходе выпрямителя нестабильно. Например, с увеличением потребляемого тока I н в большей степени разряжается конденсатор фильтра С в в интервале времени t2-t3(рис. 3-4), поэтому для его подзарядки в течение времени t1-t2 требуется больший зарядный ток Iс. Но тогда из уравнения (1) видно, что потеря напряжения на сопротивлении r z возрастет и U н уменьшится. На графике рис.3-8 приведены внешние характеристики выпрямителя без фильтра - Iс = 0 и с емкостным фильтром - Iс > 0. Характеристики построены на основании уравнения (1) с учетом того, что вентили обладают сопротивлением, нелинейно зависящим от протекающего тока.

Рис.3-8 Нагрузочные характеристики выпрямителя

Чтобы величина U н практически не менялась с ростом тока Iн, в выпрямитель вводят стабилизатор напряжения.

При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к Uст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне {глава 1.4} (рис.3-9а). Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона (рис3-9б) имеет участок mn, на котором при изменениях тока от I min до I max напряжение остается практически постоянным.

Рис.3-9 Простейший стабилизатор и его нагрузочная характеристика. Чтобы ток через стабилитрон не превысил I m ах, включается резистор R б. При изменении тока нагрузки или напряжения U ф =U б +U ст изменяется, только U б, а U ст = U н остается постоянным.

При необходимости увеличить Uст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор рис.3-9а уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину Uст в параметрическом стабилизаторе невозможно.Оно определяется выбранным стабилитроном. Если такая стабилизация не удовлетворяет требованиям, то применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения.

4.2 Компенсационные стабилизаторы

На рис.3-9а показан принцип стабилизации, основанный на компенсации изменений напряжения в нагрузке путем изменения величины сопротивления переменного резистора R1, включенного последовательно нагрузке Rн.

Рис.3-10 Компенсационный стабилизатор

Для рассматриваемого контура можно написать уравнение

Uн = Uф – I 1 *R 1 , (3)

то есть напряжение Uн на нагрузке меньше выпрямленного напряжения (на выходе фильтра) Uф на величину падения напряжения на переменном резисторе R 1 . Изменяя величину сопротивления, можно регулировать величину напряжения Uн. Для любого изменения выпрямленного напряжения dUф по аналогии с уравнением (3) можно записать, что

dUн =dUф – dI 1 *R 1 . (4)

Следовательно, устанавливая величину R 1 всегда так, чтобы выполнялось равенство dUф = dI 1 *R 1 , получим dUн=0 то есть напряжение на нагрузке будет постоянным.

Для автоматизации процесса стабилизации напряжения Uн в качестве переменного резистора R1 используется транзистор VТ1 большой мощности (рис.3-10б), а управляет его сопротивлением транзистор VТ2. Ток коллектора VТ2 изменяется при изменении напряжения Uн. Поэтому изменяется ток базы транзистора VТ1 и, следовательно, его сопротивление. Параметрический стабилизатор R4-V3 играет вспомогательную роль, обеспечивая опорное (неизменное) напряжение на эмиттере VТ2, с которым сравниваются изменения напряжения на нагрузке, поступающие на базу VТ2 через делитель R1-RЗ. Схема работает следующим образом. Пусть ввиду каких-либо причин напряжение Uн начинает убывать (потенциал fн относительно точки 3 увеличивается). Тогда потенциал базы VТ2 также возрастает относительно эмиттера (станет менее отрицательным), а ток его базы Iб2 уменьшится. При этом ток коллектора Iк2=b2*Iб2(b2-коэффициент передачи тока транзистора VT2) уменьшит потенциал базы транзистора VТ1 (Uб1 = Uк2~ Uф – Iк2* R5) и, следовательно, уменьшит сопротивление транзистора VТ1.При этом неизбежно уменьшается напряжение U1=I1*Rv1 (см. рис.3-10б), а напряжение в нагрузке Uн = Uф - I1*Rv1 практически останется неизменным.

Внешние характеристики стабилизированных выпрямителей приведены на рис.3-11. Постоянство напряжения Uн поддерживается параметрическим (кривая 2) и компенсационным (кривая 3) стабилизаторами

Рис.3-11. Внешние характеристики выпрямителей:

1 - без стабилизатора; 2 - с параметрическим стабилизатором; 3 - с транзисторным стабилизатором компенсационного типа.

До определенного значения максимального тока нагрузки, зависящего от типа применяемых полупроводниковых приборов. Стабилизатор компенсационного типа очень хорошо сглаживает пульсации, если они не слишком велики на выходе выпрямителя и падение входного напряжения не выводит стабилизатор из нормальной рабочей области.

4.3 Импульсный стабилизатор напряжения

>Недостатки вышерассмотренных стабилизаторов:

1) Низкий КПД, не превышающий 50%.

2) Большие габариты конденсатора и индуктивности в фильтре.

Эти недостатки снимаются при использовании импульсного (ключевого) стабилизатора. В этом стабилизаторе транзистор VT ставится в ключевой режим:

Рис.3-12 Импульсный стабилизатор напряжения

Генератор ШИМ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, при которой ширина генерируемых импульсов Uг пропорциональна управляющему напряжению Uупр.

Процесс работы импульсного стабилизатора

1) Во время импульса U упр транзистор VT открывается, емкость С подзаряжается через индуктивность

2) VT1 закрывается, индуктивность и емкость отдают энергию потребителю. Диод VD устанавливается для замыкания обратного тока индуктивности через емкость и нагрузку. Генератор ШИМ выдает последовательность импульсов на базу VT, ширина которых зависит от U вых.Длительность импульса tи=К (U оп -U вых R 1 /(R 1 +R 2))

3) Если,например, выходное напряжение уменьшается то длительность импульсов увеличивается. При этом возрастает энергия,накопленная в индуктивности и выходное напряжение поддерживается постоянным. Тактовая частота приблизительно равна 20 кГц. Конденсатор “подпитывается” достаточно часто, поэтому емкость его значительно меньше, чем при использовании непрерывного стабилизатора.

5 Генераторы

5.1 Генератор синусоидальных колебаний

ГСК – это устройство, выполненное на основе автономных автоколебательных цепей, в которых синусоидальное изменение напряжения и тока возникают без приложения дополнительного периодического сигнала. Это преобразование энергии постоянного тока в энергию синусоидальных электрических колебаний.

Генератор типа L - C :

Рис.3-13 Генератор LC с индуктивной обратной связью

Генерация возникает из за положительной обратной связи между коллектором и базой транзистора через взаимоиндукцию между катушками. Колебания возникают при выполнении двух условий:

1) Условие амплитуд, которое выполняется если катушки Lсв и L расположить достаточно близко.

2) Условие фаз. Катушка Lсв должна быть включена так, чтобы возникающая обратная связь была положительной. Тогда возникают колебания с частотой ω 2 LC=1; Следовательно ω=1/(LС) 1/2 ; f=1/2π(LC) 1/2 По этой схеме строятся генераторы с частотой f>=150 кГц. Для более низких частот применяются RC генераторы.