Пассивные элементы электрических цепей

Резисторы -- компоненты электронной аппаратуры, обеспечивающие регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

1.1 Классификация резисторов

По назначению резисторы разделяются на две группы:

1. Общего назначения (диапазон сопротивлений от 1 Ом до 10 МОм; номинальные мощности рассеивания Р_ном - 0,062...100 Вт).

2. Специального назначения:

- высокоомные (10 МОм...100 ТОм). U_раб - 100...400 В,

U_раб - рабочее (номинальное) напряжение;

- высоковольтные (R до 10¹¹ Ом, U_раб до 100 кВ);

- высокочастотные (собственные емкость C и L индуктивность близки к нулю);

- прецизионные (повышенная точность, допуск не более 0,001…1 %, высокая стабильность, R=0,1…10 МОм, Р_ном до 2 Вт).

По параметрам резисторы делятся на постоянные и переменные.

Переменные разделяются на подстроечные и регулировочные резисторы.

Подстроечные резисторы -- предназначены для проведения подстройки электрических режимов и имеют малую износоустойчивость (до 1000 циклов).

Регулировочные резисторы -- используются для проведения частых регулировок (более 5 тыс. циклов).

В зависимости от характера изменения их сопротивления делятся на резисторы с линейной - А, логарифмической - Б, обратнологарифмической характеристикой - В, специальными характеристиками - Г, Д (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Типы резисторов

На рисунке 1.1 показано изменение сопротивления R относительно максимального значения R_П при изменении угла поворота относительно максимального угла поворота _П.

Основной элемент переменного резистора -- проводящий элемент. В зависимости от проводящего элемента сопротивления делятся на проволочные, непроволочные, металлофольговые. Материал -- нихром (проволочные и металлофольговые).

Непроволочные делятся на следующие группы:

а) углеродистые и бороуглеродистые;

б) металлодиэлектрические, металлооксидные;

в) композиционные, полупроводниковые.

По конструктивному исполнению:

- нормальное и тропическое исполнение;

- выполняются неизолированными (касание токоведущих частей не допускается);

- изолированными;

- герметизированными (в том числе и вакуумными).

У любого резистора есть тепловые шумы. Они появляются вследствие тепловых движений потоков зарядов.

Средняя мощность определяется формулой Найквиста:

,

где k - постоянная Больцмана;

Т - температура, К;

f - диапазон рабочих частот, Гц.

Действующее значение напряжения шумов связано с их мощностью уравнением

U_ш - напряжение, В;

R - сопротивление, Ом;

k - постоянная Больцмана;

Т - температура, К;

f - диапазон рабочих частот, Гц.

При Т=293К это уравнение принимает следующий вид:

Напряжение тепловых шумов имеет случайный характер. Кроме того, резистор имеет токовые шумы, возникающие при приложении электрического напряжения.

Действующее значение напряжения этих шумов в первом приближении находится из уравнения:

,

где К₁ - коэффициент пропорциональности для данного резистора;

U - напряжение на резисторе, В;

f₂, f₁ - полоса рабочих частот, Гц.

Обычно уровень этих шумов определяется коэффициентом

,

где U_ш - напряжение шума, В;

U - напряжение на резисторе, В.

Основная причина появления этих шумов -- временное изменение объектной концентрации электронов и изменение контактных сопротивлений между зернами вещества.

Каковы значения этих шумов?

Для резисторов группы А (1мкВ/В ...5 мкВ/В).

У регулирующих резисторов до 50 мкВ/В (резисторы типа СП).

У проволочных резисторов 0,1 мкВ/В.

Обычно схема содержит множество резисторов, и все они создают суммарное напряжение шумов, равное

,

где U_ШТ1, U_ШТn - напряжение тепловых шумов n-го резистора;

U_ШН1, U_ШНn - напряжение токовых шумов от отдельных резисторов.

Всякий резистор является конструкцией, характеризующейся формой, объемом, размерами.

Поэтому в эквивалентную схему резистора кроме сопротивления R входят катушка индуктивности L и конденсатор C (рисунок 2.2). Емкость появляется между элементами и участками резистора.

Рис. 1.2 - Эквивалентные схемы резисторов

Наличие индуктивности и емкости приводит к появлению реактивной составляющей и также к некоторому искажению эквивалентного значения активной составляющей.

Кроме того, у проволочных резисторов из-за поверхностного эффекта сопротивление является функцией частоты.

Но это сказывается только на высоких частотах. Так, например, для медного провода диаметром 1мм при частоте f=10 кГц, сопротивление увеличивается всего на 0,01 %.

Относительная частотная погрешность

,

где Z - полное сопротивление на частоте f.

На практике индуктивность L и емкость C неизвестны. Поэтому для некоторых резисторов в технических условиях дается значение обобщенной постоянной ф_mах.

,

где _L=L/R, _C=RC; - рабочая частота.

Резистор типа МЛТ проволочный имеет _max=10^-8 с, высокоомный С5-15 - _min 1 мкс.

1.2 Старение резисторов

При длительной эксплуатации сопротивление резистора R меняется. Например, сопротивление С2-6 может измениться до 20 % после 15000 ч эксплуатации.

1.3 Номинальные сопротивления

Согласно действующей нормативно-технической документации постоянное сопротивление должно соответствовать одному из шести рядов Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192.

Значение сопротивления находят умножением или делением на 10ⁿ, где n - целое положительное или 0, чисел, входящих в состав ряда.

Так, например, для ряда Е6 эти числа равны:

1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8.

Ряд допустимых отклонений также нормирован:

0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10; 20; 30.

Соответственно в буквенных обозначениях: E, L, R, P, U, X, B, C, D, F, G, I, K, M, N.

1.4 Система обозначений

Система предусматривает как полные, так и краткие обозначения.

Полное обозначение в конструкторской документации КД имеет следующий вид, например: Р1-33Н-0, 25 Вт - 100 кОм 2% А 0.467 - 0.27 ТУ:

Оно состоит из сопроводительного обозначения Р1-33Н-0 и обозначения основных параметров резистора 25 Вт - 100 кОм 2%А, А -- группа по уровню шумов. 0.467 - 0.27 ТУ -- документ на поставку.

Рассмотрим сопроводительное обозначение:

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

В настоящее время используются резисторы, которые в новых разработках не рекомендуется применять. Например: С2-26, МЛТ, ПКВ, СП0 и другие.

До 1980 года существовал ГОСТ 13453-75, и были приняты следующие обозначения:

С - постоянные резисторы;

СП - переменные;

СТ - термосопротивления;

ФР - фоторезисторы;

СН - нелинейные резисторы;

БП - бопометры.

Второй элемент в обозначении резисторов старых марок - цифры, характеризующие материал: 1 - углеродистые и бороуглеродистые; 2 - металлодиэлектрические и металлооксидные; 3 - композиционные объемные; 5 - проволочные; 6 - тонкослойные, металлизированные.

Третий элемент - порядковый номер разработки.

1.5 Кодированное обозначение

Буква обозначает множитель, на который умножаются цифровые обозначения.

Примеры:

0,1 Ом - R1 (E1);

10 Ом - 10R (10E); 100 Ом - 100R (100E) или же К10;

100 KОм - 100K или М10;

1 МОм - 1М0; 33,2 МОм - 33М2;

100 МОм - 100М или G10;

590 МОм - 590М.

Например, резистор с номинальным сопротивлением 475 Ом и допуском 2 % обозначается К475G.

Кроме всего сказанного: маломощные резисторы с допуском от 2 до 10 % имеют стандартные значения сопротивления и стандартную цветовую маркировку (рисунок 2.3).

Две первые цифры и множитель определяют номинальное сопротивление.

Рисунок 1.3 - Цветовая маркировка резисторов

Соответствие между цветом полос и цифровыми значениями приведено в таблице 1.1.

Номинальные значения допуска соответствуют следующим цветовым полосам:

- красный - 2 %;

- золотой - 5 %;

- серебряный - 10 %;

- отсутствует - 20 %.

Пример:

Красный - желтый - оранжевый - золотой, это 24 кОм с 5 % допуском.

Таблица 1.1

Расшифровка цифровой маркировки резисторов

1.6 Основные параметры резисторов

При конструировании и эксплуатации электронной аппаратуры необходимо учитывать следующие основные параметры резисторов:

· номинальное сопротивление;

· допустимое отклонение от номинального значения;

· номинальная мощность рассеивания (максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров);

· предельное рабочее напряжение;

· температурный коэффициент сопротивления (характеризует изменение сопротивления при изменении температуры на 1С)

,

где R₁ - сопротивление при нормальных условиях, Ом;

t - предельная разность температур;

· уровень собственных шумов Д (мкВ/В);

· максимальная температура окружающей среды для номинальной мощности рассеивания;

· коэффициент напряжения

,

где R₁, R₂ - сопротивления, измеренные при напряжениях, соответствующих 10 % и 100 % номинальной мощности рассеивания, Ом;

· влагоустойчивость и термостойкость.

Промышленность в настоящее время выпускает:

· резисторы общего назначения МЛТ, ОМЛТ, С2-6, С2-8, С2-11, С2-22 и др.;

· прецизионные ОМЛТ, МГП, С2-1, С2-13, С2-14, С2-14, С2-31;

· высокомегоомные КВМ, КЛМ, С3-10, С3-14 и т.п.;

· высоковольтные КЭВ, С3-9, С3-14 и пр.;

· высокочастотные С2-10, С2-34, С3-8 и др.

Номенклатура подстроечных и регулировочных резисторов также очень широка:

СП5-1; СП5-6; РП-25; РП-80; СП-5-21;

СП5-30; СП5-54, СП3-10 и др.

На практике кроме линейных резисторов используются:

- термозависимые R (терморезисторы);

- нелинейные (варисторы).

1.7 Терморезисторы

Рис. 1.4 - Зависимость сопротивления от температуры

В полупроводниковых резисторах

,

где R₀ - сопротивление при Т₀=293К;

В - постоянная для данного типа сопротивления (рисунок 2.4).

При прохождении электрического тока выделяется тепло и сопротивление изменяется.

В некоторых случаях, сопротивление меняется принудительно от внешнего нагревателя. Такие резисторы называются подогревными или терморезисторами с косвенным подогревом, их характеристика показана на рисунке 1.5

Применение - параметрическая термостабилизация цепей.

Рисунок 1.5 - Зависимость сопротивления терморезистора при косвенном подогреве

1.8 Варисторы

Рисунок 1.6 - Зависимость сопротивления варистора от приложенного напряжения

Изготовляются варисторы, как правило, из карбида кремния.

Нелинейность варистора возникает из-за зернистой структуры (автоэлектронная эмиссия из острых углов и граней, пробои и т.п.). Характеристика зависимости сопротивления от приложенного напряжения показана на рисунке 1.6. Характеристика 2 имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Такие резисторы называют негисторами, их ВАХ описывается формулой

,

где а - постоянная нелинейности;

R₀ - начальное статическое сопротивление.

1.9 Обозначения резисторов

Обозначения резисторов приведены на рисунке 1.7.

постоянный, подстроечный, переменный, терморезистор, варистор

Рисунок 1.7 - Условные графические обозначения резисторов

Лекция 2. Пассивные элементы электрических цепей. Конденсаторы

Конденсатор -- элемент электрической цепи, состоящий из проводящих элементов, разделенных диэлектриком, и предназначенный для использования его емкости.

Емкость -- отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

,

где С - емкость Ф, мкФ, нФ, пФ;

q - заряд, Кл;

U - напряжение, В.

1Ф=10⁶ мкФ=10⁹ нФ=10¹² пФ.

где Ф/м.

Наиболее часто используемые материалы имеют диэлектрические проницаемости, представленные в таблице 2.1

Таблица 2.1

Диэлектрические проницаемости материалов

При заряде конденсатора затрачивается энергия

2.1 Классификация. Система условных обозначений

Первая буква или сочетание букв обозначают подкласс конденсатора. К - постоянный конденсатор, КТ - подстроечный, КП - переменной емкости.

Второй элемент - обозначение группы в зависимости от материала диэлектрика.

Третий элемент обозначает регистрационный номер.

Все это не распространяется на старую систему. В ней были приняты следующие обозначения:

КД - конденсаторы дисковые;

КМ - керамические монолитные;

КЛС - керамические литые секционные;

КСО - слюдяные опрессованные;

СГМ - слюдяные герметизированные малогабаритные;

КБГЧ - бумажные герметизированные изолированные;

КБГУ - бумажные герметизированные частотные;

КЭГ - электролитические герметизированные;

ЭТО - электролитические танталовые;

КПК - подстроечные керамические.

Рассмотрим примеры:

1. К10-17 - керамический конденсатор постоянный U<1600 В с регистрационным номером 17.

2. КТ4-25 - подстроечный керамический с регистрационным номером 2.

3. К10-7В - «В» все климатическое исполнение.

Группы ТКЕ М47, номинальной емкостью 27 пФ, с допуском 10% по ГОСТ 5621-70 имеют полное обозначение К10-7В-М47-27 пФ 10% ГОСТ 5621-70.

4. К50-7а-250В-100 мкФ-В ГОСТ 5635-70 - конденсатор оксидно-электро-литический К50-7, конструктивный вариант «а», 250 В, 100 мкФ, все климатического исполнения «В».

5. КПК-М-2/7 ГОСТ 5500-76 - конденсатор подстроечный с твердым керамическим диэлектриком КПК-М. Пределы 2…7 пФ.

2.2 Номинальные емкости

Значения номинальных емкостей конденсаторов стандартизированы и имеют значения, сосредоточенные в 7 рядах: Е3, Е6, ..., Е192.

В производстве используются Е3, Е6, Е12, Е24.

2.3 Номинальные напряжения и токи

Амплитуда переменного напряжения не должна превышать напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности.

,

где U - амплитуда переменного напряжения, В;

Р_РДОП - допустимая реактивная мощность, Вт;

f - частота, Гц;

С - емкость, пФ.

2.4 Тангенс угла диэлектрических потерь

Отношение активной электрической мощности к реактивной мощности для конденсатора называется тангенсом диэлектрических потерь конденсатора:

.

2.5 Эксплутационная надежность

На нее влияют следующие факторы:

- электрические нагрузки;

- климатические нагрузки;

- механические нагрузки;

- радиационное воздействие.

Воздействия бывают обратимые и необратимые.

При низких температурах (<60С) оксидные конденсаторы с жидким и пастообразным диэлектриком не работают, но при повышении температуры свойства восстанавливаются.

Лекция 3. Катушки индуктивности. Трансформаторы и дроссели

3.1 Катушки индуктивности

Катушки индуктивности, как правило, не являются комплектующими изделиями, как резисторы и конденсаторы. Они изготавливаются на заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий. Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения. Используют различные приемы:

1. Для уменьшения межвитковой емкости витки укладываются на каркасе с определенным шагом или применяются специальные методы намотки. Например, витки укладываются не параллельно, а под углом друг к другу (универсальная намотка).

2. Для увеличения индуктивности и повышения добротности используются магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Наиболее широкое распространение получили магнитопроводы, схематично представленные на рисунках 4.1, а и 4.1, б.

а) б)

Рисунок 3.1 - Конструктивное исполнение магнитопроводов: а - броневой магнитопровод; б - торроидальный магнитопровод

Изменение их индуктивности осуществляется с помощью сердечников. Сердечники могут быть из ферромагнитных материалов или диамагнетиков.

Ферромагнитные материалы имеют удельную магнитную проницаемость > 1 и увеличивают индуктивность. Диамагнетики имеют  < 1 и уменьшают индуктивность (латунь, медь).

Диамагнетики обычно используются на высоких частотах. На низких (менее 1 кГц) частотах в качестве магнитопроводов используется пермоллой в виде тонких пластин толщиной 0,002…0,1 мм, свитых в ленты.

Точный расчет очень сложен. Поэтому обычно пользуются эмпирическими формулами.

Далее приводятся несколько эмпирических формул, пригодных для практических расчетов:

1. Индуктивность однослойной катушки со сплошной намоткой на цилиндрическом каркасе определяется по следующим трем формулам:

, , [мкГн],

где D - диаметр катушки, см;

- число витков;

l - длина намотки, мм.

Первая и вторая формулы используются при l>D/2, третья при lD/2.

2. Имеется универсальная формула для однослойной катушки со сплошной намоткой:

,

где D - диаметр катушки, см;

l - длина намотка, см;

- число витков.

3. Для многослойной катушки индуктивности используется формула

,

где l - длина намотки, см;

t - радиальная глубина намотки (рисунок 4.2).

Упрощенная формула:

,

где L₀ - поправочный коэффициент, приводимый в специальных таблицах.

Рисунок 3.2 - Основные габаритные размеры сердечника

4. Индуктивность секционированной катушки определяется по формуле:

,

где L_C - индуктивность секции;

К - коэффициент связи между секциями.

Что еще характеризует катушку индуктивности?

Собственная емкость катушки

.

Схема определения параметров приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 3.3 - Схема определения параметров катушки индуктивности

Если катушка намотана с большим шагом, то .

Если виток к витку, то .

Сопротивление катушек переменному току

,

где d - диаметр провода, мм;

f - частота, МГц;

l - длина намотки, см;

- число витков.

Индуктивность может быть существенно изменена введением сердечника. Наличие магнитных сердечников увеличивает рабочую частоту контура (дроссель с цилиндрическим сердечником).

Индуктивность тороидальной катушки с сердечником любого сечения

[мкГн],

где - длина средний магнитной линии, см;

S_C - площадь сечения, см²;

_е - магнитная проницаемость.

Если магнитопровод имеет форму, показанную на рисунке 4.4, то индуктивность рассчитывается по предложенной формуле:

Рисунок 3.4 - Схема определения параметров для расчета индуктивности магнитопровода

Если сердечник из электротехнической стали, то

,

где а, b и h - размеры, показанные на рисунке 3.4.

3.2 Трансформаторы, дроссели

Для преобразования электрической энергии и ее передачи из одной цепи в другую используются трансформаторы.

Преобразовывать можно основные параметры электрической энергии в цепях переменного тока (напряжение, силу тока, частоту, число фаз) и форму кривой.

3.3 Параметры трансформаторов

1. Электромагнитной мощностью трансформатора S_эм называется мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем; она равна произведению действующего значения ЭДС этой обмотки на величину тока нагрузки, т.е. , [].

2. Полезной или отдаваемой мощностью трансформатора S₂^* называется произведение действующего напряжения на вторичной обмотке на величину ее нагрузочного тока, т.е. (при активной нагрузке вся мощность, отдаваемая в нагрузку, является активной).

3. Расчетной мощностью S₁ называется произведение действующего значения тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на ее клеммах. (Эта мощность характеризует собой габаритные размеры обмотки.) Расчетная мощность первичной обмотки равна произведению напряжения на ее зажимах и тока в первичной обмотке:

, []

При работе на чисто активную нагрузку отдаваемая им мощность равна расчетной. В трансформаторах, работающих на выпрямительные схемы, токи в первичной и вторичной цепях не являются синусоидальными. Кроме того, через вторичную обмотку может протекать постоянный выпрямительный ток, что проводит к росту намагничивающего тока трансформатора. Поэтому в выпрямительных трансформаторах расчетная мощность всегда больше, чем активная.

4. Типовая или габаритная мощность трансформатора

,

где S₁, S₂, S₃ - расчетная мощность обмоток трансформаторов.

5. Потери в магнитопроводе подразделяются:

- на потери на гистерезис (перемагничивание стали);

- потери на вихревые токи в сердечнике:

,

где К_Р - коэффициент размерности, 1/Тл²;

Р₁ - удельные потери в стали выбранной марки;

В_max - магнитная индукция;

G _ср - масса магнитопровода.

6. Потери в обмотках .

7. Коэффициент полезного действия - КПД.

3.4 Маркировка трансформаторов

При использовании трансформаторов следует учитывать, что маркировка трансформаторов определяет их функциональное назначение.

В настоящее время принята следующая система обозначений:

ТА - трансформатор анодный;

ТН - накальный;

ТАН - анодно-накальный;

ТПП - трансформатор питания устройств на полупроводниковых приборах;

ТС - трансформатор питания бытовой аппаратуры;

ТТ - трансформатор питания тороидальный;

ТВТ - трансформатор входной для транзисторных устройств;

ТОТ - трансформатор выходной для транзисторных устройств;

ТМ - согласующий для транзисторных устройств;

ТИ - импульсный;

ТИМ - импульсный маломощный.

3.5 Пьезотрансформаторы

Принцип работы пьезотрансформатора основан на пьезоэффекте. Конструкция и характеристики показаны на рисунке 4.5.

а) б)

Рисунок 3.5 - Пьезотрансформатор: а - конструкция; б - передаточная характеристика

Лекция 4. Электронно-дырочные переходы

4.1 Образование электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия

Электронно-дырочным или n-p-переходом называется переходной слой между областями полупроводника с различными типами проводимости. Свойства n-p-переходов определяются соотношением концентраций доноров и акцепторов, их распределением по объему n-p-областей и геометрией областей.

При рассмотрении свойств n-p-переходов принято пользоваться понятием металлургической границы, под которой понимается поверхность в полупроводнике, на которой концентрация акцепторной примеси N_a соответствует концентрации донорной примеси N_д. Для простоты считается, что металлургическая граница плоская.

Некоторые понятия:

- Если концентрация доноров в n-области равна концентрации акцепторов в р-области (N_Д=N_а), то переход называется симметричным.

- Если концентрации не равны (N_ДN_а), то переход называется несимметричным. Симметричные переходы встречаются реже, чем несимметричные.

- В том случае, если концентрации примесей различаются на порядок и более, переходы называются односторонними и обозначаются n⁺-p или р⁺ n. Индекс (+) присваивается области с большей концентрацией. Далее мы будем рассматривать именно такие переходы.

- Если концентрация примесей на границе раздела областей с различной проводимостью изменяется в пределах расстояния, приблизительно равного диффузионной длине, то переход называется резким. Если это изменение происходит на расстояниях больших диффузионной длины, то переход называется плавным.

Даже при комнатной температуре примесные атомы практически все ионизированы, поэтому концентрации основных носителей в n- и p-областях , . Кроме того, в обеих областях имеется некоторое количество неосновных носителей-дырок в n-области (р_п0) и электронов в р-области (n_p0). Равновесие соответствует внешнему напряжению на переходе, равному нулю.

Прямую, перпендикулярную к металлургической границе, примем за ось Х с началом в точке пересечения прямой с металлургической границей.

По обе стороны от металлургической границы градиенты концентраций электронов и дырок отличны от нуля, эти градиенты вычисляются по формулам (рисунок 5.1):

,

где l₀ - ширина перехода.

Рисунок 4.1 - Распределение концентраций носителей заряда относительно металлургической границы

Как распределяются электроны и дырки в этих областях? В результате разности потенциалов электронов и дырок в разных областях возникает их диффузионное движение: дырки движутся из р-области в n-область, а электроны из n-области в р-область.

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то концентрация бы выровнялась. Реально диффузия сопровождается перераспределением зарядов в слое шириной l₀ вблизи металлургической границы.

Рис. 4.2 - Распределение зарядов в области перехода

В результате часть n-облас-ти, в которую пошли дырки, стала положительно заряженной относительно р-области. На рисунке 5.2 показано знаком (+), что в приконтактных слоях n-области остается некомпенсированным положительный заряд неподвижных ионов донорных примесей. Он возникает вследствие ухода электронов в р-область и рекомбинации там с дырками, диффундирующими из р-области. Точно также в р-области остаются отрицательные ионы (знак (-)).

Этот слой называется двойным электрическим, т.к. создает электрическое поле. Распределение потенциала ?F и напряженности поля Еn показано на рисунках 4.3 и 4.4.

Рисунок 4.3 - Распределение электрического потенциала напряженности поля вдоль электронно-дырочного перехода

Рисунок 4.4 - Распределение электронно-дырочного перехода

Поскольку переход является односторонним (т.е. n_по>р_по), диффузия дырок малосущественна. Двойной слой неподвижных зарядов называется обедненным или запорным слоем. Так как концентрация основных носителей в слое невелика, то его сопротивление значительно больше сопротивления участков, лежащих за пределами зоны l₀. Переход в целом нейтрален. Заряд с одной стороны металлургической границы соответствует заряду с другой стороны.

Поскольку концентрации примесей в n- и р-областях различны, различны и плотности объемных зарядов, что показано на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Распределение плотностей объемных зарядов вдоль электронно-дырочного перехода

Поэтому ширина обедненного слоя в n- и р-областях неодинакова, и односторонний переход почти полностью расположен в р-области, т.е. там, где носителей меньше. l₀l_p, где l_p - размер, расположенный в р-области.

Высота потенциального барьера ₀ определяется как разность электростатических потенциалов в n- и р-областях.

В конечном счете ₀ определяется отношением концентраций однотипных носителей заряда по обе стороны.

Пример: Если и собственная концентрация носителей заряда в кремнии ni = 21010см3, то ₀ =0,83. При температуре Т, равной 300 К, ширина обедненного слоя l₀ равна 0,3 мкм.

Напряженность электрического поля растет по мере развития диффузионного движения носителей зарядов и, следовательно, увеличения объемного заряда q, образуемого неподвижными ионами. Вектор напряженности электрического поля направлен так, что поле препятствует диффузионному движению основных носителей.

С ростом напряженности поля интенсивность движения основных носителей уменьшается. Вместе с тем под действием Е_Р возникает движение неосновных носителей q: дырок из n- в р-области и электронов из р- в n-области. Через границу идут встречные потоки и, следовательно, текут токи. Диффузионное движение n и р образует единый ток плотностью . Для дрейфового тока

Равновесие достигается, когда полный ток равен 0.

4.2 Электронно-дырочный переход при подключении внешнего напряжения

Рис. 4.6 - Прямое подключение электронно-дырочного перехода

Подключим к n-p-переходу напряжение U. Полярность напряжения такова, что (-) источника соединен с n⁺ областью (рисунок 4.6).

Сопротивление обедненного слоя много больше сопротивлений других участков и поэтому напряжение прикладывается к обедненному слою. В этом случае высота потенциального барьера уменьшится до величины, равной , что показано на рисунке 4.7.

Напряжение, уменьшающее высоту потенциального барьера, называется прямым в переходе, и ширина обедненного слоя при этом уменьшается. Равновесное состояние при этом нарушается диффузионным движением электронов из n-области в р-область и дырок в обратном направлении.

Рис. 4.7 - Уменьшение высоты потенциального барьера при подключении прямого напряжения

Так как , то диффузионное движение электронов из n- в р-области значительно интенсивнее, чем движение дырок в обратном направлении.

У границ обедненного слоя повышается концентрация неосновных носителей: электронов в р-области (n_pu) и дырок в n-области (p_nu). Концентрации n_pu и p_nu являются неравновесными.

Так как в р- и n-областях возникают градиенты концентрации дырок р_nu>>p_n0 и электронов n_pu>>n_p0, то дырки диффундируют от границы перехода в n-область, постепенно рекомбинируя с электронами, а электроны движутся в другом направлении и рекомбинируются с дырками.

Связь между неравновесными и равновесными концентрациями определяется формулами:

.

Для получения теоретической ВАХ р-n-перехода определим избыточные граничные концентрации n_pu и p_nu:

Делим одно на другое и, учитывая, что (n_i - концентрация собственного полупроводника) и n_n0 =N_Д , p_p0 =N_A, получим:

Таким образом, при прямых напряжениях на переходе граничные концентрации превышают равновесные и имеет место процесс, называемый инжекцией, то есть введением носителей в область, где они являются неосновными.

У несимметричных переходов концентрация избыточных носителей в высокоомном слое больше, чем в низкоомном, и инжекция имеет односторонний характер. Инжектирующий слой, обладающий меньшим удельным сопротивлением, называется эмиттером, слой с большим удельным сопротивлением называется базой. Если соединить источник, как показано на рисунке 4.8, то в этом случае все напряжение приложится к переходу.

Высота потенциального барьера возрастает до Дц₀+U, как показано на рисунке 4.9.

Рисунок 4.8 - Обратное подключение электронно-дырочного перехода

Рисунок 4.9 - Уменьшение высоты потенциального барьера при подключении прямого напряжения

Напряжение называется в этом случае обратным. Соответственно увеличивается напряженность поля в переходе и его ширина (по сравнению с U=0).

Дырки из n-области диффундируют в p-область, электроны из р-области в переход. Электрическое поле для них является ускоряющим.

При этом граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются по сравнению с равновесными. Этот процесс называется экстракцией.

Выражения для n, p, приведенные ранее, верны, только необходимо подставить отрицательное напряжение.

4.3 Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода

В общем случае ток через р-n-переход включает электронную и дырочную составляющие, каждая из которых содержит диффузионную и дрейфовую компоненты.

При выводе ВАХ обычно полагают, что:

а) ширина перехода очень мала (стремится к нулю);

б) тепловой генерацией и рекомбинацией можно пренебречь.

Если считать, что на границах перехода электрическое поле равно 0, то токи инжектируемых носителей будут чисто диффузионными. Тогда для граничных концентраций:

,

где L_n, L_p - диффузионные длины электронов и дырок.

Знак (+) градиента концентрации дырок означает, что дырки движутся из базы в эмиттер, в направлении отрицательных значений Х. Подставляя сюда выражения для градиента концентраций электронов и дырок, получим:

.

.

Поскольку переход является односторонним, (n⁺ -p) j_n>>j_р.

Просуммируем плотности токов и, умножив их на площадь перехода, получим:

,

где .

Рис. 4.10 - ВАХ р-н перехода

Эта формула определяет ВАХ р-n-перехода (рисунок 4.10).

I₀ называется обратным тепловым током перехода. При величина тока становится независимой от напряжения.

На практике в кремниевых переходах I₀ очень близко к нулю, и ток становится заметным при U=U*=0,7 В, где U* - напряжение открытого перехода.

U=(U*- 0,1) B - называется напряжением отпирания перехода. В германиевых полупроводниках U*?0,35 В и ВАХ имеют вид, показанный на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Различие ВАХ германиевого и кремниевого электронно-дырочного перехода

4.4 Пробой электронно-дырочного перехода

При некотором значении обратного напряжения, приложенного к переходу, происходит резкий рост обратного тока. Это явление называется пробоем. ВАХ имеет вид, показанный на рисунке 4.12.

Существует два вида электрических пробоев:

- лавинный;

- туннельный.

Лавинный пробой возникает в полупроводнике с невысокой концентрацией примесей. В поле перехода на длине свободного пробега носители заряда приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов полупроводника. Возникают дополнительные пары «электроны и дырки», увеличивающие ток через переход. Вновь образовавшиеся пары лавинообразно ионизируют атомы, и ток нарастает. Рост тока происходит при постоянном напряжении.

Рисунок 4.12 - ВАХ, илюстрирующие пробой электронно-дырочного перехода

Туннельный пробой характерен для переходов, образованных полупроводником с высоким уровнем легирования. Ширина перехода при этом очень мала, а напряженность поля велика. Электроны, не обладая достаточной энергией, за счет туннельного эффекта преодолевают барьер. Электрический пробой не приводит к разрушению перехода.

Тепловой пробой возникает, когда от перехода отводится тепла меньше, чем выделяется. Подводимая мощность Р_подв, равная

Р_подв=I₀U_обр,

тратится на нагрев полупроводника.

В результате электрического пробоя температура возрастает и число генерируемых носителей растет, растет и ток. Переход разогревается еще больше. Увеличение тока приводит к уменьшению напряжения. Тепловой пробой необратим и разрушает переход.

4.5 Емкости электронно-дырочного перехода

В зависимости от приложенного напряжения меняется ширина перехода. Наличие разноименных зарядов по обе стороны от металлургической границы позволяет считать, что переход обладает электрической емкостью.

Различают барьерную и диффузионную емкости.

Барьерная емкость образуется неподвижными зарядами в обедненном слое и рассчитывается по формуле

,

где С_б0 - емкость при U=0.

- для ступенчатого перехода.

- для лавинного перехода.

При пользоваться формулой нельзя.

Зависимость С_б = F(U) называется вольт-фарадной характеристикой (рисунок 4.13).

Рисунок 4.13 - Вольт-фарадная характеристика электронно-дырочного перехода

При прямом напряжении на переходе в результате инжекции происходит изменение объемных зарядов. В результате, помимо барьерной появляется диффузионная емкость Сd_.. Она зависит от прямого тока и находится по формуле

,

где I - прямой ток;

_n - время жизни электронов для случая, когда ширина базовой области W_p больше диффузионной длины носителей L_n.

Если

При обратных напряжениях С_d = 0, поэтому учитывается только барьерная емкость.

Лекция 5. Полупроводниковые диоды

Диод - это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами. Устройство диода показано на рисунке 6.1. База (Б) и эмиттер (Э) соединяются с металлическими выводами, обеспечивающими омические контакты с n- и p-областями. С их помощью диод включается во внешнюю цепь.

Рисунок 5.1 - Устройство полупроводникового диода

По назначению и характеру использования диоды подразделяются:

- на выпрямительные;

- стабилитроны;

- импульсные;

- варикапы и т.д.

Каждый вид определяется своими классификационными параметрами.

5.1 Вольт-амперная характеристика диода

Прежде всего, вернемся к теоретически изученным ВАХ. Теоретическая ВАХ n-p-перехода и диода показаны на рисунке 5.2

Из рисунка 5.2 видно, что кривые отличаются друг от друга.

Чем это объяснить?

В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном электрическом сопротивлении базы r_Б (т.е. определяется объемом и собственным сопротивлением). r_Б лежит в пределах 1...10 Ом. Падение напряжения на базе становится существенным для токов, больших, чем единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлениях выводов. В результате напряжение на p-n-переходе будет меньше, чем напряжение на диоде.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 5.2 - ВАХ диода: 1 - Кривая ВАХ p-n-перехода; 2 - ВАХ диода

Реальная характеристика в области прямых напряжений описывается выражением

,

где U_пр - напряжение, приложенное к выводам;

r - суммарное сопротивление базы и выводов.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным I₀, а увеличивается.

Первая причина увеличения обратного тока заключается в термической генерации зарядов на переходе (что не учитывается при теоретическом выводе). Эта составляющая называется током термогенерации I_ТГ. С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей увеличивается и I_ТГ растет.

Вторая причина -- конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки I_У. У современных приборов он всегда меньше тока термогенерации I_ТГ.

Таким образом, суммарный обработанный ток определяется выражением

.

5.2 Влияние температуры на ВАХ диода

С изменением температуры меняется ход прямой и обратной ветвей ВАХ диода. При увеличении температуры возрастает количество неосновных носителей в кристалле полупроводника и поэтому растет обратный ток перехода. Это обусловлено увеличением токов I₀ и I_ТГ, изменяющихся по законам:

,

где I₀(T₀) - токи при температуре;

Т₀; Т = Т - Т₀.

Для кремния = 0,09К^-1, b = 0,07К^-1.

Ток утечки мало зависит от температуры, но может существенно меняться во времени. Поэтому он не определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ диода.

Теперь о прямой ветви ВАХ. Прямая ветвь с ростом температуры сдвигается влево и становится более крутой (рисунок 6.3).

Рис. 5.3 - Зависимость ВАХ диода от температуры

Это объясняется ростом обратного тока I_обр и уменьшением собственного сопротивления базы r_Б, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение на переходе растет при неизменном напряжении на выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветки вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН):

,

показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1С. При фиксированном прямом токе в диапазоне от -60С до +60С .

5.3 Основные типы диодов

5.3.1 Выпрямительные диоды

Назначение -- преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.

Кремневые выпрямительные диоды работают в диапазоне температуры от -60С до + 125С.

Предельные электрические режимы: обратное напряжение U_обр.max и средний выпрямительный ток I _выпр.

Сегодня промышленностью выпускаются кремниевые диоды, характеризуемые I _выпр >100A и U_обр.max =1000В.

Если необходимо работать при U >U_обр, то диоды соединяются последовательно.

Для увеличения выпрямляемого тока можно включать диоды параллельно. Серийно выпускаемые промышленностью диоды имеют следующие обозначения: КД102, КД106, КД204, КД212, КД226; сдвоенные диоды КД205; два диода с общим катодом КД704; последовательно соединенные диоды КД629.

5.3.2 Стабилитроны

Используются в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжения. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 6.4.

Рабочий участок находится в области электрического пробоя.

I_max определяется по формуле

,

где U_стаб - напряжение стабилизации;

Р_max - мощность, рассеиваемая переходом.

У современных стабилитронов I_max достигает нескольких ампер. Превышение этой величины ведет к тепловому пробою.

Минимальный ток I _min стабилизации - доли миллиампер mA. U_стаб может изменяться от 1 до 100 Вольт. Основной классификационный параметр стабилитрона - напряжение стабилизации U_стаб. В диапазоне рабочих токов задается также величина дифференциального сопротивления диода (сопротивление переменному току в рабочей точке). Обычно это сопротивление менее 10 Ом.

Рисунок 5.4 - ВАХ стабилитрона

Если стабилитроны используются в схемах прецизионных стабилизаторов, то важным параметром является температурная стабильность. Она характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации:

,

где U_СТ - напряжение стабилизации;

ДT - изменение температуры.

Он показывает, как меняется относительная величина напряжения стабилизации U_стаб при изменении температуры на 1С. У серийных приборов ТКН=0,1%/С. Знак ТКН зависит от U_стаб прибора (рисунок 6.5).

Рисунок 5.5 - Зависимость ТКН от напряжения стабилизации

Менее 5В - узкие переходы и преобладает туннельный пробой.

Более 5В - широкие переходы и преобладает лавинный пробой.

Выпускаемые промышленностью стабилитроны имеют следующие типичные обозначения: КС211, КС512, КС 596.

Стабисторы - разновидность стабилитронов для стабилизации напряжений до 1В. Используются прямая ветвь ВАХ. Пример: КС115.

5.3.3 Варикапы

Используется зависимость емкости n-p-перехода от обратного напряжения (рисунок 5.6). Варикапы используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоподстройки частоты, в параметрических усилителях и других устройствах.

Благодаря малому обратному току потери в переходе несущественны, поэтому добротность емкости варикапа оказывается высокой. Добротность оценивается отношением реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь на заданной частоте. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (рисунок 5.6).

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 5.6 - Вольт-фарадная характеристика варикапа

Она характеризует важнейший параметр - коэффициент перекрытия по емкости:

,

где С_В1, С_В2 - емкости варикапа при заданных U_обр1, U_обр2.

Этот коэффициент у современных варикапов может достигать десятков единиц при изменении обратного напряжения U_обр от 0,1 до 10...20 В.

Основными квалификационными параметрами варикапов являются:

Емкость С_ВН - емкость при номинальном обратном напряжении U_обр;

Кс - коэффициент перекрытия по емкости;

Q - минимальная добротность на заданной частоте;

U_обр - максимально допустимое.

Промышленность выпускает большое количество варикапов различного назначения:

КВ 127 (для устройств с амплитудной модуляцией);

КВ142 (для приемников); КВ138 (УКВ);

КВ112, 114 (для гибридных микросхем);

КВ109, 110 (для подстройки в контурах);

КВС120 сборка, буква А обозначает, что в сборке 3 варикапа, буква В - 2 варикапа.

5.3.4 Высокочастотные диоды

Обычные выпрямительные диоды используются на частотах, меньших нескольких килогерц.

Самые современные выпрямительные диоды с барьером Шотки работают на частотах в сотни килогерц - единицы мегагерц.

Однако часто требуются диоды с рабочей частотой, большей 1 ГГц. Такие диоды называются высокочастотными.

Любой полупроводниковый диод может быть представлен следующей эквивалентной схемой (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 - Эквивалентная схема полупроводникового диода

В схеме приняты следующие обозначения: С_П и R_П - емкость и сопротивление n-p-переходов; r - сопротивление, определяемое, в основном, сопротивлением базы диода; L_В - индуктивность выводов.

Для расширения частотного диапазона следует уменьшить емкость перехода, и, следовательно, его площадь, сопротивление r (базы) и индуктивность выводов Lв.

В ВЧ диодах обычно используют точечную конструкцию, в которой n-p-переход образован контактом металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. Площадь контакта меньше 50 мкм², и поэтому емкость перехода очень мала.

Для точечных контактов характерны меньшие допустимые обратные напряжения.

Особенность ВАХ такого диода -- отсутствие ярко выраженного горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя.

Примером высокочастотных диодов могут служить: КД401, 407 (до 300кГц); КД401 (до1МГц).

5.3.5 Переключающие диоды (импульсные)

В ряде электрических схем диоды работают в режиме переключения, то есть в одни периоды времени они оказываются смещенными в прямом, а в другие - в обратном.

В первом случае сопротивление диода мало, а в другом случае - велико.

В идеальном случае переключение должно происходить мгновенно. Реальное время перехода из одного состояния в другое имеет конечную величину.

Рассмотрим причины, ограничивающие быстродействие переключающих диодов.

Рассмотрим схему включения. Пусть входное напряжение имеет прямоугольную форму (рисунок 6.8).

Пусть U_ВХ = U₁>0, диод открывается, и на протяжении t₀ через него протекает прямой ток:

,

где U_Д - напряжение на диоде;

R - сопротивление резистора.

При этом в базе накапливается заряд инжектированных в нее носителей (неосновных).

Теперь входное напряжение скачком меняется от U₁ до U₂. Сопротивление диода сначала оказывается небольшим, поскольку в базе существовал заряд (он стекает).

Рисунок 5.8 - Характер изменения тока, протекающего через диод

При этом обратный ток имеет следующее значение:

,

где U_Д - напряжение на диоде;

R - сопротивление резистора.

С течением времени накопленный на базе заряд уменьшается за счет протекания обратного тока и рекомбинации носителей. Это приводит к увеличению обратного сопротивления диода, и обратный ток уменьшается до I_обр.

Быстродействие переключающих диодов определяется временем установления прямого напряжения на диоде t_y, которое зависит от скорости диффузии инжектированных в базу неосновных носителей, и временем восстановления t_В обратного сопротивления.

За время восстановления принимается время, прошедшее с момента подачи на диод обратного напряжения (смены полярности входного напряжения) до момента времени, когда обратный ток достигает определенного заданного значения.

В качестве заданного обратного тока обычно берут значение обратного тока, равное 0,1i_пр, а в некоторых случаях 0,1i_{обр max}. Характер изменения обратного тока имеет вид, показанный на рисунке 6.8. Время восстановления можно разбить на два интервала t₁ и t₂. В интервале t₁ обратный ток почти не уменьшается, т.к. концентрация носителей на границе остается неравновесной. В конце интервала t₁ концентрация на границе становится равновесной и начинается быстрое уменьшение обратного тока и рост обратного сопротивления диода.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются:

- максимальное прямое импульсное сопротивление R _импmax, равное отношению максимального импульсного напряжения U на диоде к прямому току импульса I _{пр имп};

- время восстановления обратного сопротивления;

- емкость при заданном обратном напряжении U;

У современных диодов время восстановления t_В =10100 мс и ниже.

Переключающиеся диоды имеют следующие обозначения: КД411, КД412, КД503, КД508, КД512, КД513, КД507, 508; преобразователи ВЧ: КД922, КД923.

5.3.6 Диоды Шотки

Используется контакт Шотки. Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, т.е. прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. Накопление заряда в базе не происходит и поэтому время переключения существенно уменьшено (100 нс).

Еще одна особенность диодов Шотки - это меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного n-p-перехода при тех же токах.

Это объясняется тем, что тепловой ток I₀, входящий в формулу для вольт-амперной характеристики,

,

у перехода с барьером Шотки примерно на 3 порядка больше тока n-p-перехода. Причиной этого является движение электронов из полупроводника в металл (происходящее с тепловой скоростью, существенно превышающей диффузную).

Прямая ветвь ВАХ подчиняется приведенному выражению в широком интервале изменения тока.

Диоды Шотки используются:

- для осуществления операции логарифмирования в аналоговых вычислительных устройствах;

- в комбинации с транзисторами в переключающих схемах;

- мощные диоды Шотки могут работать как выпрямители.

Типичные обозначения: КД238, КД2991, КД2998.

резистор конденсатор полупроводниковый транзистор

Лекция 6. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - это электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий один или несколько электронно-дырочных переходов, три или более выводов и предназначенный для усиления мощности электрических сигналов.

6.1 Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор это p-n-p или n-p-n полупроводниковая структура, полученная в монокристалле полупроводника, в котором три области, чередующиеся по типу проводимости. Области снабжены выводами для включения транзистора в электрическую цепь (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Внутренняя структура биполярного транзистора

Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом (ЭП), переход коллектор-база - коллекторным (КП). На каждый из переходов можно подать как прямое, так и обратное напряжение.

Условное обозначение транзисторов по...