Определение диода по внешнему виду. Виды диодов, характеристики, применение

Как работает диод

Можно физически сами диоды не видеть, но результат их действия окружает нас повсюду. Эти устройства позволяют управлять потоком тока в указанном направлении. Существует много различных вариантов исполнения диодов. В каких случаях это бывает необходимо? Ниже будут рассмотрены примеры и в некоторой степени принцип работы полупроводниковых диодов. Если добавить две металлические обкладки к P и N рабочим областям материала, то получатся электроды анод и катод. Схема подключения электродов к источнику может работать следующим образом: подача напряжения с батарейки к электроду N обеспечивает притяжение позитронов, соответственно к P электроду – электронов; отсутствие напряжения все возвращает в исходное состояние; смена полярности подаваемого напряжения обеспечивает притяжение электронов в обратном направлении к плюсовой пластине, а позитронов – к минусовой. В последнем случае избыточные заряды скапливаются на металлических обкладках, тогда как в центре самого материала образуется мертвая изолирующая зона.

Моделирование больших сигналов

Модель диода Шокли

В Уравнение диода Шокли связывает ток диода я {displaystyle I} из p-n переход диод на напряжение диода V D {displaystyle V_ {D}} . Эта связь — диод ВАХ

:
я = я S ( е V D п V Т − 1 ) {displaystyle I = I_ {S} left (e ^ {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}} — 1ight)} ,
куда я S {displaystyle I_ {S}} это ток насыщения

или же
масштабный ток
диода (величина тока, протекающего при отрицательном V D {displaystyle V_ {D}} сверх нескольких V Т {displaystyle V_ {ext {T}}} , обычно 10−12 А). Масштабный ток пропорционален площади поперечного сечения диода. Продолжая символы: V Т {displaystyle V_ {ext {T}}} это тепловое напряжение ( k Т / q {displaystyle kT / q} , около 26 мВ при нормальной температуре), и п {displaystyle n} известен как коэффициент идеальности диода (для кремниевых диодов п {displaystyle n} приблизительно от 1 до 2).

Когда V D ≫ п V Т {displaystyle V_ {D} gg nV_ {ext {T}}} формулу можно упростить до:

я ≈ я S ⋅ е V D п V Т {displaystyle Iapprox I_ {S} cdot e ^ {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}}} .

Однако это выражение является только приближением более сложной ВАХ. Его применимость особенно ограничена в случае сверхмелких контактов, для которых существуют более совершенные аналитические модели.[2]

Пример схемы диод-резистор

Чтобы проиллюстрировать сложности использования этого закона, рассмотрим задачу определения напряжения на диоде на рисунке 1.

Рисунок 1: Диодная схема с резистивной нагрузкой.

Поскольку ток, протекающий через диод, такой же, как ток во всей цепи, мы можем составить другое уравнение. К Законы Кирхгофа, ток, протекающий в цепи, равен

я = V S − V D р {displaystyle I = {frac {V_ {S} -V_ {D}} {R}}} .

Эти два уравнения определяют ток диода и напряжение диода. Чтобы решить эти два уравнения, мы могли бы заменить текущий я {displaystyle I} из второго уравнения в первое, а затем попробуйте переставить полученное уравнение, чтобы получить V D {displaystyle V_ {D}} с точки зрения V S {displaystyle V_ {S}} . Сложность этого метода состоит в том, что диодный закон нелинейный. Тем не менее, формула, выражающая я {displaystyle I} непосредственно с точки зрения V S {displaystyle V_ {S}} без вовлечения V D {displaystyle V_ {D}} можно получить с помощью Ламберт W

-функция , какой обратная функция из ж ( ш ) = ш е ш {displaystyle f (w) = we ^ {w}} , то есть, ш = W ( ж ) {displaystyle w = W (f)} . Это решение обсуждается далее.

Явное решение

Явное выражение для тока диода можно получить через Ламберт W

-функция (также называемая функцией Омега).[3] Ниже приводится руководство по этим манипуляциям. Новая переменная ш {displaystyle w} вводится как
ш = я S р п V Т ( я я S + 1 ) {displaystyle w = {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} влево ({frac {I} {I_ {S}}} + 1ight)} .
После замен я / я S = е V D / п V Т − 1 {displaystyle I / I_ {S} = e ^ {V_ {D} / nV_ {ext {T}}} — 1} :

ш е ш = я S р п V Т е V D п V Т е я S р п V Т ( я я S + 1 ) {displaystyle we ^ {w} = {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}} e ^ { {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} осталось ({frac {I} {I_ {S}}} + 1ight)}}

и V D = V S − я р {displaystyle V_ {D} = V_ {S} -IR} :

ш е ш = я S р п V Т е V S п V Т е − я р п V Т е я р я S п V Т я S е я S р п V Т {displaystyle we ^ {w} = {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {S}} {nV_ {ext {T}}}} e ^ { frac {-IR} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {IRI_ {S}} {nV_ {ext {T}} I_ {S}}} e ^ {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}}}

перестройка диодного закона с точки зрения ш

становится:
ш е ш = я S р п V Т е V s + я s р п V Т {displaystyle we ^ {w} = {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {s} + I_ {s} R} {nV_ {ext {T} }}}} ,
который с помощью Ламберта W {displaystyle W} -функция становится

ш = W ( я S р п V Т е V s + я s р п V Т ) {displaystyle w = Wleft ({frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {s} + I_ {s} R} {nV_ {ext {T}}}) } ight)} .

С приближениями (актуально для наиболее распространенных значений параметров) я s р ≪ V S {displaystyle I_ {s} Rll V_ {S}} и я / я S ≫ 1 {displaystyle I / I_ {S} gg 1} , это решение становится

я ≈ п V Т р W ( я S р п V Т е V s п V Т ) {displaystyle Iapprox {frac {nV_ {ext {T}}} {R}} Wleft ({frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {s}} { nV_ {ext {T}}}} ight)} .

После определения тока напряжение на диоде можно найти с помощью любого из других уравнений.

Для больших x, W ( Икс ) {displaystyle W (x)} можно приблизительно оценить W ( Икс ) = пер ⁡ Икс − пер ⁡ пер ⁡ Икс + о ( 1 ) {displaystyle W (x) = ln x-ln ln x + o (1)} . Для общих физических параметров и сопротивлений я S р п V Т е V s п V Т {displaystyle {frac {I_ {S} R} {nV_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {s}} {nV_ {ext {T}}}}} будет порядка 1040.

Итерационное решение

Напряжение на диоде V D {displaystyle V_ {D}} можно найти с точки зрения V S {displaystyle V_ {S}} для любого конкретного набора значений итерационный метод с помощью калькулятора или компьютера.[4] Диодный закон перестраивается делением на я S {displaystyle I_ {S}} , и добавив 1. Закон диода принимает вид

е V D п V Т = я я S + 1 {displaystyle e ^ {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}}} = {frac {I} {I_ {S}}} + 1} .

Взяв натуральный логарифм обеих частей, экспонента удаляется, и уравнение принимает вид

V D п V Т = пер ⁡ ( я я S + 1 ) {displaystyle {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}} = ln left ({frac {I} {I_ {S}}} + 1ight)} .

Для любого я {displaystyle I} , это уравнение определяет V D {displaystyle V_ {D}} . Тем не мение, я {displaystyle I} также должен удовлетворять приведенному выше уравнению закона Кирхгофа. Это выражение заменяется на я {displaystyle I} чтобы получить

V D п V Т = пер ⁡ ( V S − V D р я S + 1 ) {displaystyle {frac {V_ {D}} {nV_ {ext {T}}}} = ln left ({frac {V_ {S} -V_ {D}} {RI_ {S}}} + 1ight)} ,

или же

V D = п V Т пер ⁡ ( V S − V D р я S + 1 ) {displaystyle V_ {D} = nV_ {ext {T}} ln left ({frac {V_ {S} -V_ {D}} {RI_ {S}}} + 1ight)} .

Напряжение источника V S {displaystyle V_ {S}} известное данное значение, но V D {displaystyle V_ {D}} находится по обе стороны от уравнения, что требует итерационного решения: начальное значение для V D {displaystyle V_ {D}} угадывается и помещается в правую часть уравнения. Выполняя различные операции с правой стороны, мы придумываем новое значение для V D {displaystyle V_ {D}} . Это новое значение теперь подставляется в правую часть и так далее. Если эта итерация сходится

ценности V D {displaystyle V_ {D}} становятся все ближе и ближе друг к другу по мере продолжения процесса, и мы можем остановить итерацию, когда точность будет достаточной. Один раз V D {displaystyle V_ {D}} находится, я {displaystyle I} можно найти из уравнения закона Кирхгофа.

Иногда итерационная процедура критически зависит от первого предположения. В этом примере подойдет почти любое первое предположение, например V D = 600 мВ {displaystyle V_ {D} = 600, {ext {mV}}} . Иногда итерационная процедура вообще не сходится: в этой задаче итерация, основанная на экспоненциальной функции, не сходится, и поэтому уравнения были преобразованы для использования логарифма. Поиск сходящейся итеративной формулировки — это искусство, и каждая проблема индивидуальна.

Графическое решение

Графическое определение рабочей точки через пересечение характеристики диода с линией резистивной нагрузки.
Графический анализ — это простой способ получить численное решение трансцендентный уравнения, описывающие диод. Как и большинство графических методов, он имеет преимущество простой визуализации. Построив я

—
V
кривых, можно получить приближенное решение с любой произвольной степенью точности. Этот процесс является графическим эквивалентом двух предыдущих подходов, которые больше подходят для компьютерной реализации.

Этот метод строит два уравнения тока-напряжения на графике, и точка пересечения двух кривых удовлетворяет обоим уравнениям, давая значение тока, протекающего по цепи, и напряжения на диоде. Рисунок иллюстрирует такой метод.

Кусочно-линейная модель

Кусочно-линейная аппроксимация диодной характеристики.
На практике графический метод сложен и непрактичен для сложных схем. Другой метод моделирования диода называется кусочно-линейный

(PWL)
моделирование
. В математике это означает разбиение функции на несколько линейных сегментов. Этот метод используется для аппроксимации характеристической кривой диода в виде серии линейных сегментов. Реальный диод моделируется как 3 последовательно соединенных компонента: идеальный диод, источник напряжения и резистор.

На рисунке показана реальная ВАХ диода, аппроксимируемая двухсегментной кусочно-линейной моделью. Обычно сегмент наклонной линии выбирается по касательной к диодной кривой в точке Q-точка. Тогда наклон этой линии определяется величиной, обратной величине слабосигнальный сопротивление диода в точке Q.

Математически идеализированный диод

ВАХ идеального диода.
Во-первых, рассмотрим математически идеализированный диод. В таком идеальном диоде, если диод имеет обратное смещение, ток, протекающий через него, равен нулю. Этот идеальный диод начинает проводить при 0 В, и при любом положительном напряжении течет бесконечный ток, и диод действует как короткое замыкание. ВАХ идеального диода показаны ниже:

Идеальный диод последовательно с источником напряжения

Теперь рассмотрим случай, когда мы добавляем источник напряжения последовательно с диодом, как показано ниже:

Идеальный диод с последовательным источником напряжения.

При прямом смещении идеальный диод представляет собой просто короткое замыкание, а при обратном смещении — обрыв.

Если анод диода подключен к 0 V, напряжение на катод Будет в Вт

и поэтому потенциал на катоде будет больше, чем потенциал на аноде, и диод будет смещен в обратном направлении. Для того, чтобы диод стал проводящим, напряжение на аноде должно быть равно
Вт
. Эта схема приблизительно соответствует напряжению включения реальных диодов. Комбинированная ВАХ этой схемы показана ниже:
ВАХ идеального диода с последовательным источником напряжения.
Модель диода Шокли может быть использована для прогнозирования приблизительного значения V т {displaystyle V_ {t}} .

я = я S ( е V D п ⋅ V Т − 1 ) ⇔ пер ⁡ ( 1 + я я S ) = V D п ⋅ V Т ⇔ V D = п ⋅ V Т пер ⁡ ( 1 + я я S ) ≈ п ⋅ V Т пер ⁡ ( я я S ) ⇔ V D ≈ п ⋅ V Т ⋅ пер ⁡ 10 ⋅ бревно 10 ⁡ ( я я S ) {displaystyle {egin {align} & I = I_ {S} left (e ^ {frac {V_ {D}} {ncdot V_ {ext {T}}}}} — 1ight) Leftrightarrow {} & ln left (1+ {frac {I} {I_ {S}}} ight) = {frac {V_ {D}} {ncdot V_ {ext {T}}}} Leftrightarrow {} & V_ {D} = ncdot V_ {ext {T}} ln left (1+ {frac {I} {I_ {S}}} ight) примерно ncdot V_ {ext {T}} ln left ({frac {I} {I_ {S}}} ight) Leftrightarrow {} & V_ { D} приблизительно ncdot V_ {ext {T}} cdot ln {10} cdot log _ {10} {left ({frac {I} {I_ {S}}} ight)} конец {выровнено}}}

С помощью п = 1 {displaystyle n = 1} и Т = 25 ° C {displaystyle T = 25, {ext {° C}}} :

V D ≈ 0.05916 ⋅ бревно 10 ⁡ ( я я S ) {displaystyle V_ {D} приблизительно 0,05916cdot log _ {10} {left ({frac {I} {I_ {S}}} ight)}}

Типичные значения ток насыщения при комнатной температуре бывают:

я S = 10 − 12 {displaystyle I_ {S} = 10 ^ {- 12}} для кремниевых диодов;
я S = 10 − 6 {displaystyle I_ {S} = 10 ^ {- 6}} для германиевых диодов.

Как вариант V D {displaystyle V_ {D}} идет с логарифмом отношения я я S {displaystyle {frac {I} {I_ {S}}}} , его значение очень мало меняется при большом изменении отношения. Использование логарифмов с основанием 10 позволяет легче мыслить на порядки.

Для силы тока 1,0 мА:

V D ≈ 0.53 V {displaystyle V_ {D} приблизительно 0,53, {ext {V}}} для кремниевых диодов (9 порядков);
V D ≈ 0.18 V {displaystyle V_ {D} приблизительно 0,18, {ext {V}}} для германиевых диодов (3 порядка).

Для тока 100 мА:

V D ≈ 0.65 V {displaystyle V_ {D} приблизительно 0,65, {ext {V}}} для кремниевых диодов (11 порядков);
V D ≈ 0.30 V {displaystyle V_ {D} приблизительно 0,30, {ext {V}}} для германиевых диодов (5 порядков).

Для кремниевых диодов обычно используются значения 0,6 или 0,7 вольт.[5]

Диод с источником напряжения и токоограничивающим резистором

Последнее, что нужно, — это резистор для ограничения тока, как показано ниже:

Идеальный диод с последовательным источником напряжения и резистором.

В I-V

Характеристика итоговой схемы выглядит так:
ВАХ идеального диода с последовательным источником напряжения и резистором.
Настоящий диод теперь можно заменить комбинированным идеальным диодом, источником напряжения и резистором, а затем смоделировать схему с использованием только линейных элементов. Если наклонный сегмент касается реальной кривой диода в точке Q-точка, эта примерная схема имеет тот же слабосигнальный схема в точке Q как настоящий диод.

Двойные PWL-диоды или модель 3-Line PWL

ВАХ стандартной модели PWL (отмечены красными треугольниками), как описано выше. Для справки показана стандартная модель диода Шокли (отмечена синими ромбами). Параметры Шокли: я
s = 1e — 12 А,
V
т = 0,0258 В

Когда требуется большая точность при моделировании характеристики включения диода, модель можно улучшить, удвоив стандартную PWL-модель. В этой модели используются два параллельно включенных кусочно-линейных диода для более точного моделирования одного диода.

PWL Модель диода с 2 ответвлениями. Верхняя ветвь имеет более низкое прямое напряжение и более высокое сопротивление. Это позволяет диоду включаться более плавно и в этом отношении более точно моделирует настоящий диод. Нижняя ветвь имеет более высокое прямое напряжение и меньшее сопротивление, что обеспечивает высокий ток при высоком напряжении. График ВАХ данной модели (отмечен красными треугольниками) по сравнению со стандартной моделью с диодом Шокли (отмечен синими ромбами). Параметры Шокли:
я
s = 1e — 12 А,
V
т = 0,0258 В

Диоды иностранных производителей

Диод Шоттки

Похожий принцип с некоторыми отличиями используется в системе маркировки диодов импортного образца. Отличают три стандарта:

JEDEC – американский. Каждый диод представлен в виде набора обозначений в виде 1NXY, где X – это серийный номер, а Y – модификация. Первые два символа есть у всех приборов, поэтому в цветовой маркировке их не учитывают. Каждой цифре или литере соответствует свой цвет, согласно таблице.
PRO-ELECTRON – европейский. Две буквы в начале – материал и подкатегория диода. Серийный номер может иметь вид значения от 100 до 999 (бытовые приборы) либо с добавлением литер (Z10-A99), подразумевающих промышленное применение. Каждое из значений кодируется в цветовой элемент.
JIS – японский. Заметно отличается от предыдущих – в начале указывается функциональный тип: фотодиод, обычный диод, транзистор или тиристор. Затем идет S – обозначение полупроводника; следующая литера – тип прибора внутри категории, затем серийный номер и буква модификации (одна или две).

Цветовая маркировка по зарубежным системам
Запомнить все сочетания практически невозможно. Если усвоить хотя бы основные соответствия, разобраться в назначении диода удастся гораздо быстрее.

Читайте также: Всё про типы матрицы мониторов

Как определить параметры светодиода по внешнему виду?

Самый легкий путь – это узнать характеристики светодиода по его внешнему виду. Для этого достаточно набрать в строке поисковой системы такую фразу: «купить светодиод». Далее из предоставленного списка следует выбрать наиболее крупный интернет магазин и найти соответствующий раздел каталога. После чего внимательно просмотреть все имеющиеся позиции и если вам улыбнется удача, то вы найдете то, что ищете. Как правило, в серьёзных интернет-магазинах, где продаются радиоэлектронные элементы, на каждую позицию имеется соответствующая документация, даташит или приводятся основные характеристики. Сопоставив по внешнему виду имеющийся светодиод с тем, что в каталоге, можно таким образом узнать его характеристики.

Следующим подходом пользуются более опытные электронщики. Однако в нем нет ничего сложного. Преимущественное большинство светодиодов разделяется на индикаторные и общего назначения. Индикаторные, как правило, менее ярко светят, чем остальные. Это и понятно, ведь для индикации очень яркий свет не нужен. Индикаторные светодиоды применяются для сигнализации работы различных электронных устройств. Например, при включении в розетку, они показывают, что устройство находится под напряжением. Они встречаются в чайниках, ноутбуках, выключателях, зарядных устройствах, компьютерах и т.п. Электрические параметры их вне зависимости от внешнего вида следующие: ток – 20 мА = 0,02 А; напряжение в среднем 2 В (от 1,8 В до 2,3 В).

Светодиоды общего назначения светят ярче предыдущих, поэтому могут использоваться в качестве осветительных приборов. Однако для индикации тоже пойдут, если снизить ток. Как ни странно, но преобладающее большинство и таких светодиодов имеют значение номинального тока потребления тоже 20 мА. А вот напряжение их может находиться в пределах от 1,8 до 3,6 В. В этом классе находятся и сверхяркие светодиоды. При том же токе напряжение у них, как правило выше – 3,0…3,6 В.

В целом светодиоды подобного типа имеют стандартный размерный ряд, основным параметром которого есть диаметр круга линзы или ширина и толщина стороны, если линза прямоугольной формы.

Диаметр линзы, мм: 3; 4,8; 5; 8 и 10.

Обратное напряжение

Обратное напряжение — это тип сигнала энергии, создаваемого при изменении полярности электрического тока. Такое напряжение часто возникает, когда обратная полярность подается на диод, заставляя диод реагировать, работая в обратном направлении. Эта обратная функция может также создавать напряжение пробоя внутри диода, так как это часто приводит к поломке схемы, к которой применяется напряжение.

Обратное напряжение возникает, когда источник подключения энергетического сигнала к цепи применяется инвертированным образом. Это означает, что положительный источник свинца подключен к заземленному или отрицательному проводнику цепи и наоборот. Эта передача напряжения часто не предназначена, так как большинство электрических схем не способны обрабатывать напряжения.

Когда минимальное напряжение подается на схему или на диод, это может привести к тому, что схема или диод будут работать в обратном порядке. Это может вызвать реакцию, такую как двигатель вентилятора коробки, вращаясь неправильно. Элемент будет продолжать функционировать в таких случаях.

Когда величина напряжения, приложенного к цепи, слишком велика, сигнал для принимаемой схемы, однако, это называется пробивным напряжением. Если входной сигнал, который был обратный, превышает допустимое напряжение для цепи для поддержания, схема может быть повреждена за пределами остальной используемой. Точка, в которой цепь повреждена, относится к значению напряжения пробоя. Это напряжение пробоя имеет пару других имен, пиковое обратное напряжение или обратное пробивное напряжение.

Обратное напряжение может вызвать напряжение пробоя, которое также влияет на работу других компонентов схемы. За пределами повреждающих диодов и функций цепи обратного напряжения он также может стать пиковым обратным напряжением. В таких случаях схема не может содержать количество входной мощности от сигнала, который был обращен вспять, и может создавать напряжение пробоя между изоляторами.

Это напряжение пробоя, которое может возникать через компоненты схемы, может вызвать пробой компонентов или проволочных изоляторов. Это может превратить их в сигнальные проводники и повредить цепь, проводя напряжение на разные части схемы, которые не должны принимать его, что приводит к нестабильности по всей цепи. Это может вызвать дуги напряжения от компонента к компоненту, что также может быть достаточно мощным, чтобы зажечь различные компоненты схемы и привести к пожару.

Маркировка светодиодов

В идентификации светодиодов сложностей меньше. Каждый тип обладает характерными внешними отличительными признаками. Различают две категории:

Цвет SMD-светодиода. В свою очередь, делят на группы по излучению: многоцветные диоды, нейтральный, теплый и холодный белый.
Размер элемента. По аналогии с зарубежной кодировкой используют 4 цифры, которые обозначают размер в миллиметрах. 3014 – размер 3 х 1.4 мм.

Число перед типом светодиода означает количество на 1 метр ленты. Для устройств с длинными выводами, заключенными в пластмассовый или стеклянный корпус, применяют систему цветовых элементов, ознакомиться с которой можно в таблице.

Пример цветовой маркировки светодиодов

Из чего состоит диод

В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток — фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.

После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.

Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.

строение диода

Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа — катодом.

Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.

диод Д226

Вот это и есть тот самый PN-переход

PN-переход диода

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения
от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля
значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов
значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
Показатели тока дрейфа
во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны
обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей
заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
Полупроводник
при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Маркировка

Для того чтобы определить вид, узнать характеристику полупроводникового диода, производители наносят специальные обозначения на корпус элемента. Она состоит из четырёх частей.

На первом месте — буква или цифра, означающая материал, из которого изготовлен диод. Может принимать следующие значения:

Г (1) — германий;
К (2) — кремний;
А (3) — арсенид галлия;
И (4) — индий.

На втором — типы диода. Они тоже могут иметь разное значение:

Д — выпрямительные;
В — варикап;
А — сверхвысокочастотные;
И — туннельные;
С — стабилитроны;
Ц — выпрямительные столбы и блоки.

На третьем месте располагается цифра, указывающая на область применения элемента.

Четвёртое место — числа от 01 до 99, означающее порядковый номер разработки.

Также на корпус могут быть нанесены и дополнительные обозначения. Но, как правило, они используются в специализированных приборах и схемах.

Для удобства восприятия диоды могут маркироваться также и разнообразными графическими символами, например, точками и полосками. Особой логики в таких рисунках нет. То есть, чтобы определить, что это за диод, придется заглянуть в специальную таблицу соответствия.

Старая система обозначений

В соответствии с системой обозначений, разработанной до 1964 г., сокращенное обозначение диодов состояло из двух или трех элементов.

Первый элемент буквенный, Д — диод.

Второй элемент — номер, соответствующий типу диода: 1…100 — точечные германиевые, 101…200— точечные кремниевые, 201…300 — плоскостные кремниевые, 801…900 — стабилитроны, 901…950 — варикапы, 1001…1100 — выпрямительные столбы. Третий элемент — буква, указывающая разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если разновидностей диода нет.

В настоящее время существует система обозначений, соответствующая ГОСТ 10862-72. В новой, как и в старой системе, принято следующее разделение на группы по предельной (граничной) частоте усиления (передачи тока ) на:

низкочастотные НЧ (до 3 МГц),
средней частоты СЧ (от 3 до 30 МГц),
высокочастотные ВЧ (свыше 30 МГц),
сверхвысокочастотные СВЧ;

По рассеиваемой мощности:

маломощные (до 0,3 Вт),
средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт),
большой (свыше 1,5 Вт) мощности.

Маркировка импортных диодов

В настоящее время широко используются SMD-диоды зарубежного производства. Конструкция элементов выполнена в виде платы, на поверхности которой закреплен чип. Слишком маленькие размеры изделия не позволяют нанести на него маркировку. На более крупных элементах обозначения присутствуют в полном или сокращенном варианте.

В электронике SMD-диоды составляют около 80% всех используемых изделий этого типа. Такое разнообразие деталей заставляет внимательнее относиться к обозначениям. Иногда они могут не совпадать с заявленными техническими характеристиками, поэтому желательно провести дополнительную проверку сомнительных элементов, если они планируются к использованию в сложных и точных схемах. Следует учитывать, что маркировка диодов этого типа может быть разной на совершенно одинаковых корпусах. Иногда присутствует только буквенная символика, без каких-либо цифр. В связи с этим рекомендуется использовать таблицы с типоразмерами диодов от разных производителей.

Для SMD-диодов чаще всего используется тип корпуса SOD123. На один из торцов может наноситься цветная полоса или тиснение, что означает катод с отрицательной полярностью для открытия р-п-перехода. Единственная надпись соответствует обозначению корпуса.

Тип корпуса не играет решающей роли при использовании диода. Одной из основных характеристик является рассеивание некоторого количества тепла с поверхности элемента. Кроме того, учитываются значения рабочего и обратного напряжения, величина максимально допустимого тока через р-п-переход, мощность рассеивания и другие параметры. Все эти данные указаны в справочниках, а маркировка лишь ускоряет поиск нужного элемента.

По внешнему виду корпуса не всегда удается определить производителя. Для поиска нужного изделия существуют специальные поисковики, в которые нужно ввести цифры и буквы в определенной последовательности. В некоторых случаях диодные сборки вообще не несут какой-либо информации, поэтому в таких случаях сможет помочь только справочник. Подобные упрощения, делающие обозначение диода очень коротким, объясняются крайне ограниченным пространством для нанесения маркировки. При использовании трафаретной или лазерной печати удается разместить 8 символов на 4 мм2.

Стоит учесть и тот факт, что одним и тем же буквенно-цифровым кодом могут обозначаться совершенно разные элементы. В таких случаях анализируется вся электрическая схема.

Обратное напряжение

Нюансы

В дополнение к таким обозначениям диодов используются также некоторые графические показатели. Благодаря им, можно решить задачу и понять, насколько высокой является рабочая точка устройства. Иногда на диоды наносятся данные о том, какая техника производства выбрана, какой имеется материал корпуса, масса устройства. В принципе, такая информация будет полезна тому, кто создает аппаратуру, любителям такие данные не нужны.

Нужно заметить, что импортные производители работают по другой схеме. Маркировка диода такого типа будет довольно простой, ее значение можно посмотреть в специальной таблице. Именно поэтому аналоги будет отыскать очень легко.

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали

представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния. Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами. Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными.

Точечные диоды

имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные

модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

SMD-диоды

Маркировка SMD резисторов
Особенность SMD-диодов, монтирующихся прямо на поверхность плат, – невозможность полноценной маркировки из-за небольших размеров. Отсюда – своеобразная система идентификации. Несколько способов различить такие диоды:

Обратить внимание на форму исполнения корпуса. У каждого типа есть характерный внешний вид, например, электролитические конденсаторы цилиндрические, керамические – в форме параллелепипеда.
Свериться с таблицей типоразмеров. Обычно это четыре цифры, которые обозначают габариты резистора в дюймах.

Для каждого типа корпуса и назначения предусмотрена своя система обозначений, что делает расшифровку неудобной.

SMD-диоды – маркировка отличается в зависимости от корпуса

Полярность SMD-диода

Малый размер также не позволяет разместить привычные различимые обозначения полярностей. При определении катода руководствуются следующим:

маркировка в виде цветных колец наносится на его сторону;
некоторые корпуса без цветовых символов имеют паз на стороне катода;
если на корпусе изображен треугольник, его вершина указывает на отрицательный полюс.

Это помогает избежать путаницы. Чаще всего во всех системах маркировки символы наносят на сторону катода, это справедливо и для SMD-элементов.

Моделирование слабого сигнала

Сопротивление

Используя уравнение Шокли, сопротивление слабосигнального диода р D {displaystyle r_ {D}} диода можно получить о некоторой рабочей точке (Q-точка) где постоянный ток смещения я Q {displaystyle I_ {Q}} и приложенное напряжение Q-точки равно V Q {displaystyle V_ {Q}} .[6] Для начала диод слабосигнальная проводимость

грамм D {displaystyle g_ {D}} находится, то есть изменение тока в диоде, вызванное небольшим изменением напряжения на диоде, деленное на это изменение напряжения, а именно:
грамм D = d я d V | Q = я s п ⋅ V Т е V Q п ⋅ V Т ≈ я Q п ⋅ V Т {displaystyle g_ {D} = left. {frac {dI} {dV}} ight | _ {Q} = {frac {I_ {s}} {ncdot V_ {ext {T}}}} e ^ {frac {V_ {Q}} {ncdot V_ {ext {T}}}} примерно {frac {I_ {Q}} {ncdot V_ {ext {T}}}}} .
Последнее приближение предполагает, что ток смещения я Q {displaystyle I_ {Q}} достаточно велик, так что множитель 1 в скобках уравнения для диода Шокли можно не учитывать. Это приближение является точным даже при довольно малых напряжениях, поскольку тепловое напряжение V Т ≈ 25 мВ {displaystyle V_ {ext {T}} около 25, {ext {mV}}} в 300 К, так V Q / V Т {displaystyle V_ {Q} / V_ {ext {T}}} имеет тенденцию быть большим, что означает, что экспонента очень большая.

Отметив, что сопротивление слабого сигнала р D {displaystyle r_ {D}} является обратной величиной только что найденной проводимости слабого сигнала, сопротивление диода не зависит от переменного тока, но зависит от постоянного тока и задается как

р D = п ⋅ V Т я Q {displaystyle r_ {D} = {frac {ncdot V_ {ext {T}}} {I_ {Q}}}} .

Емкость

Заряд в диоде, несущем ток я Q {displaystyle I_ {Q}} как известно

Q = я Q τ F + Q J {displaystyle Q = I_ {Q} au _ {F} + Q_ {J}} ,

куда τ F {displaystyle au _ {F}} время прямого прохождения носителей заряда:[6] Первый член заряда — это заряд, проходящий через диод, когда ток я Q {displaystyle I_ {Q}} потоки. Второй член — это заряд, накопленный в самом соединении, когда он рассматривается как простой конденсатор; то есть в виде пары электродов с противоположными зарядами на них. Это заряд, накопленный на диоде в силу наличия на нем напряжения, независимо от того, какой ток он проводит.

Подобным образом, как и раньше, емкость диода представляет собой изменение заряда диода в зависимости от напряжения диода:

C D = d Q d V Q = d я Q d V Q τ F + d Q J d V Q ≈ я Q V Т τ F + C J {displaystyle C_ {D} = {frac {dQ} {dV_ {Q}}} = {frac {dI_ {Q}} {dV_ {Q}}} au _ {F} + {frac {dQ_ {J}} { dV_ {Q}}} примерно {frac {I_ {Q}} {V_ {ext {T}}}} au _ {F} + C_ {J}} ,

куда C J = d Q J d V Q {displaystyle C_ {J} = {frac {dQ_ {J}} {dV_ {Q}}}} — емкость перехода, а первый член называется диффузионная емкость, потому что это связано с током, диффундирующим через переход.

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск «даташит КД411АМ»

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение Uобр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток Iпр — это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота Fd , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Диоды. Основные свойства и характеристики

Полупроводниковым диодом

называют полупроводниковый прибор с одним
р
—
n
-переходом и двумя внешними выводами от областей с проводимостями разного типа (анодом А и катодом К).

По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на следующие основные типы: выпрямительные, стабилитроны (опорные диоды), быстро восстанавливающиеся (частотные), фото- и светодиоды, варикапы.

Кроме указанных типов диодов существуют импульсные, туннельные, магнитодиоды, тензодиоды и др

. Чаще всего диоды изготовляют из германия (максимально допустимая температура перехода
Tj m=
80°С) и кремния
(Tj m =
180°С).

По конструктивно-технологическому принципу полупроводниковые диоды разделяют на точечные и плоскостные

. В точечном диоде используют пластину германия или кремния с проводимостью
n
-типа толщиной 0,1…0,6 мм и площадью 0,5…1,5 мм2. В пластинку вплавляют иглу из металла или сплава, содержащую необходимые примеси. В процессе вплавления в области контакта полупроводника с иглой формируется слой
р
-типа.

В плоскостном диоде р-n

-переход образуется двумя полупроводниковыми слоями различного типа проводимости, при этом площадь перехода у диодов различных типов находится в диапазоне от долей квадратного микрометра до нескольких квадратных сантиметров.

Условно полупроводниковые диоды подразделяют на слаботочные

(предельный ток менее 10 А) и
силовые
(предельный ток более 10 А).

Условное графическое обозначение полупроводникового диода и его вольт-амперная характеристика приведены на рис. 6.1.

Вольт-амперные характеристики диодов снимают в стационарном режиме, что не позволяет использовать их при анализе и расчете электрических цепей, содержащих диоды, при воздействии высокочастотных и импульсных сигналов. Для этих целей используют так называемую специальную малосигнальную эквивалентную схему полупроводникового диода, в которую входят параметры собственно p-n

-перехода без учета паразитных параметров внешних выводов.

К основным параметрам полупроводниковых диодов относятся параметры по напряжению, току, сопротивлению и мощности потерь, коммутационным явлениям, а также температурные и тепловые.

Наиболее важными из них являются:

импульсное прямое напряжение UFM;
пороговое напряжение U(TO);
предельный (средний прямой) ток 1FAV;
повторяющийся импульсный обратный ток Irrm;
дифференциальное прямое сопротивление rT;
время обратного восстановления trr;
температура p-n
-перехода
Tj
.

Рис. 6.1. Условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Рис. 6.2. Прямолинейная аппроксимация ВАХ диода

Пороговое напряжение U(TO)

определяет значение прямого напряжения, соответствующее точке пересечения линии прямолинейной аппроксимации прямой ВАХ с осью напряжений (рис. 6.2).

Максимально допустимый средний прямой (предельный) ток определяет максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через диод.

Дифференциальное прямое сопротивление rT

определяют по углу наклона линии прямолинейной аппроксимации прямой ВАХ диода к оси напряжения (рис. 6.2).

Одной из разновидностей плоскостного полупроводникового диода является стабилитрон,

на обратной ветви ВАХ которого имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величины обратного тока.

Как отмечалось ранее, при превышении обратным напряжением величины напряжения пробоя происходит электрический пробой р-n

-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Это явление используют в
стабилитронах, применяемых, например, в параметрических стабилизаторах напряжения.
На рис. 6.3, а

в третьем квадранте ВАХ показано обратное включение стабилитрона. Если обратный ток через стабилитрон не превышает значения Iстmах, то электрический пробой не приводит к разрушению перехода и может воспроизводиться в течение практически неограниченного времени (сотни тысяч часов).

Стабилитроны изготовляют на основе кремния, что связано с необходимостью получения малых значений Iст min

Стабилитроны характеризуются следующими основными параметрами:

1. Напряжением стабилизации U

ст, т. е. величиной напряжения на стабилитроне при протекании через него заданного (номинального) тока стабилизации, например, Iстnom (рис. 6.3,
а).
Кроме значения ICTnom указывают также минимальное Iстmin и максимальное Iстmах значения токов на участке стабилизации, при которых обеспечивается заданная надежность. Значение ICT min ограничено нелинейным участком ВАХ стабилитрона, а значение ICTmax — допустимой мощностью рассеяния перехода, после превышения которой происходит его тепловой пробой.

2. Дифференциальным сопротивлением стабилитрона в рабочей точке на участке стабилизации r

ст =
dU
ст
/ d
Iст в заданном диапазоне частот;
r
стхарактеризует степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока через стабилитрон.

3. Температурным коэффициентом напряжения стабилизации

ст =( dU

ст /
dT
)100%, показывающим величину относительного изменения напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С и выражающимся в процентах (рис. 6.3,
б).
Уровень напряжения стабилизации зависит от величины пробивного напряжения UBR,

определяемого шириной
p-n-
перехода, т. е. концентрацией примеси. Для изготовления низковольтных стабилитронов, у которых участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера, используют высоколегированный кремний.

Из-за различного характера пробоя высоковольтных и низковольтных стабилитронов знак ст у них тоже будет разным (рис. 6.3, б).

У высоковольтных стабилитронов ст > 0, а у низковольтных с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается и ст < 0.

Стабилизацию напряжения в диапазоне 0,3…1,0 В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ, которая у некоторых кремниевых диодов почти параллельна оси токов. Такие диоды называют стабисторами.

Промышленность выпускает также
двуханодные стабилитроны,
имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. При этом напряжения стабилизации при положительном и отрицательном смещениях перехода одинаковы.

Для повышения величины напряжения стабилизации стабилитроны соединяют последовательно, в то время как параллельное соединение стабилитронов недопустимо, поскольку при этом токбудет протекать лишь через один стабилитрон, имеющий наименьшее напряжение стабилизации.

Рис. 7.8. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а)

и зависи-
(>
мость СT от напряжения стабилизации
(б)
Варикапомназывают полупроводниковый диод, используемый как нелинейный емкостной элемент: В нем используется барьерная емкость p-n

-перехода, смещенного в обратном направлении, обусловленная изменением заряда в переходе при изменении приложенного напряжения. Варикапы изготовляют из кремния и применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

^ Основными параметрами варикапа являются:

— емкость С,

фиксируемая при небольшом обратном напряжении (С =10…500 пФ);

— коэффициент перекрытия по емкости Кс=

Cmax/Cmin, характеризующий изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне изменения напряжений
(Кс=5.
..20).

Туннельный диод— полупроводниковый диод, в котором npи обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект, и прямая ветвь его ВАХ имеет участок с отрицательным сопротивлением (так называемая N-образная характеристика). Туннельный эффект заключается в просачивании электрических зарядов (электронов и дырок) через потенциальный барьер и обусловлен волновыми свойствами микрочастиц. Изготовляют туннельные диоды из германия или арсенида галлия, имеющих очень малые сопротивления. Туннельные диоды отличаются малыми размерами и массой, существенной нелинейностью ВАХ, высоким быстродействием, способностью работать в широком диапазоне температур (до +600° С для apceнид-галлиевых приборов). Применяют туннельные диоды в СВЧ-генераторах с частотами до 10 ГГц и усилителях электрических сигналов, работающих в широком частотном и температурком диапазоне.

69. Транзисторы биполярные. Основные свойства и характеристики.

Общие положения.Транзистором

называют полупроводниковый усилительный прибор с двумя
p-n
-переходами и тремя внешними выводами. В настоящее время существует большая номенклатура транзисторов, отличающихся по мощности, предельной частоте коммутации и генерации и по другим параметрам.

Все современные транзисторы разделяются на два типа: биполярные

и
полевые.
Биполярные транзисторы отличаются от полевых большим уровнем мощности и более высокой рабочей частотой. В то же время полевые транзисторы превосходят биполярные по возможностям автоматического регулирования усиления и могут работать в более широком динамическом диапазоне.

При изготовлении транзисторов различных типов применяют одинаковые конструктивно-технологические принципы. ^ По технологии

изготовления различают
сплавные, диффузионные и планарные
транзисторы. Некоторые типы транзисторов изготовляют путем комбинирования нескольких технологий (планарно-эпитаксиальные) или технологических методов (мезапланарные, мезапланарно-эпитаксиальные). При производстве дискретных транзисторов в основном используется планарно-эпитаксиальная технология, при производстве транзисторов интегральных микросхем — мезапланарно-эпитаксиальная. Для изготовления транзисторов используют германий и кремний.

^ Биполярные транзисторы.Термин «биполярный

» означает наличие в транзисторе носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В зависимости от типа проводимости внешних слоев различают транзисторы
п—р—п-
(рис. 6.4,
а и б
) и
р—п—р-типов
(рис. 6.4,
в и г
).

Рис. 6.4. Структура и графическое обозначение транзисторов: а

и
б — п—р—
л-типа;
в
и
г — р—п—р-тииа
Внутреннюю область монокристалла транзистора, разделяющую p-n

-переходы П1 и П2, называют базой (Б). Внешний слой монокристалла, инжектирующий носители в базу, называют эмиттером (Э), а примыкающий к нему
p-n
-переход П1 — эмиттерным. Второй внешний слой, выхватывающий носители из базы, называют коллектором (К), а примыкающий к нему переход П2 — коллекторным. База является электродом, управляющим величиной тока через транзистор, поскольку, изменяя напряжение между эмиттером и базой, можно управлять величиной инжектируемого (эмиттерного), а значит, и коллекторного тока.

Если переход П1 под воздействием напряжения UЭБ смещен в прямом направлении, а переход П2 под воздействием напряжения UКБ — в обратном, то такое включение транзистора называют нормальным. При изменении полярности напряжений UЭБ и UКБ получается инверсное включение транзистора.

Рассмотрим принцип действия транзистора р—п—р

-типа на примере одной из возможных схем его включения (рис. 6.5).

При отсутствии внешних напряжений (UЭБ = UКБ = 0) электрические поля р-n

-переходов создаются лишь объемными зарядами неподвижных ионов и установившиеся потенциальные барьеры обоих переходов поддерживают динамическое равновесие в приборе, токи в переходах которого равны нулю. При этом электрическое поле в базе также равно нулю.

При подключении к транзистору внешних источников напряжения Еэ

и
Ек
происходит перераспределение электрических потенциалов переходов. При нормальном включении транзистора создаются условия для инжектирования дырок из эмиттера в базу и перемещения электронов из базы в эмиттер. Так как база является наиболее высокоомной областью монокристалла, то поток электронов значительно меньше встречного потока дырок. Поэтому при встречном движении дырок и электронов происходит их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряется в базовый слой, образуя ток эмиттера Iэ.

В результате инжекции дырок в базу, в которой они являются неосновными носителями, в последней возникает градиент концентрации дырок, что приводит к их диффузионному движению во всех направлениях, в том числе и к переходу П2. Дрейф неосновных носителей играет незначительную роль. При перемещении неосновных носителей через базу их концентрация уменьшается вследствие рекомбинации с электронами, поступающими в цепь базы от источника Еэ.

Поток этих электронов образует базовый ток IБ.

Промежуток времени, в течение которого концентрация неосновных носителей в базе уменьшается в е

раз, называют временем жизни неосновных носителей. Поскольку толщина базы современных транзисторов составляет единицы микрометров, то время перемещения неосновных носителей через базу значительно меньше их времени жизни.

Рис. 6.5. Схема включения транзистора р—п—p-типа.

Передачу тока из эмиттерной цепи в коллекторную характеризуют коэффициентом передачи тока биполярного транзистора в схеме с общей базой:

Поэтому большая часть дырок достигает перехода П2 и захватывается его полем; дырки затем рекомбинируют с электронами, поступающими от источника питания Ек.

При этом в коллекторной цепи протекает ток Iк. Для токов транзистора справедливо соотношение

Из выше приведенных соотношений следует, что

У современных транзисторов

Транзисторы п—р—п

-типа работают аналогично, но при их использовании полярности напряжений внешних источников изменяют на противоположные.

Имеющий три внешних вывода транзистор представляет собой четырехполюсник. При этом два вывода транзистора образуют входные и выходные зажимы, а третий является общим зажимом длявходной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей четырехполюсника, различают три схемы включения

транзистора:

с общей базой (ОБ),
общим эмиттером (ОЭ) и
общим коллектором (ОК).

Наибольшее применение получила схема с общим эмиттером.

Для расчетов цепей с биполярными транзисторами используют семейства статических характеристик транзисторов, определяющих соотношения между токами, протекающими через его внешние выводы, и напряжения, приложенные к этим выводам.

Такими характеристиками обычно являются:

входные при ;
выходные при ;
характеристики передачи по току при

Схема сОБ не усиливает ток , но усиливает напряжение. Она обладает также и свойством усиления мощности входного сигнала.

В схеме с ОЭ коэффициент передачи тока (коэффициент передачи тока базы)

При изменении в диапазоне от 0,95 до 0,99 величина изменяется в диапазоне от 20 до 100. Таким образом, схема с ОЭ обладает свойством значительного усиления тока. Поскольку эта схема обладает также свойством усиления напряжения, то усиление мощности в данной схеме значительно больше, чем в схеме с ОБ.

Коэффициент передачи тока в схеме с ОК

Поэтому схема с ОК обладает лучшим усилением тока, чем схема с ОЭ, и, кроме того, обладает свойством усиления мощности.

Характеристики транзисторов находятся в сильной зависимости от температуры. При повышении температуры из-за значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в базе и коллекторе резко возрастает начальный ток коллектора.

Для предотвращения перегрева коллекторного р— п

-перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала допустимое значение , т. е.

На рис. 6.6 в качестве примера приведены выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Одним из ограничений кривых выходных характеристик транзистора является ограничение по допустимому значению мощности . Для увеличения допустимой мощности транзистора его полупроводниковую структуру устанавливают на металлическом основании, которое монтируют на специальном радиаторе.

Если напряжение между коллектором и эмиттером превысит допустимое значение , то может произойти электрический пробой р

—я-перехода. Поэтому существует ограничение выходных характеристик по коллекторному напряжению, т.е. . Кроме того, существует обусловленное допустимым нагревом эмиттерного перехода ограничение по коллекторному току, т.е.

Область, заключенную внутри ограничивающих линий, называют рабочей областью характеристик транзистора.

Для значительного увеличения коэффициента передачи тока используют комбинацию из двух транзисторов, соединенных по так называемой схеме Дарлингтона, что позволяет, например, повысить коэффициент передачи тока базы до 300000.

Рис. 6.6. Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ и их ограничения

Биполярные транзисторы применяют в усилителях, генераторах электрических сигналов, а также в логических и импульсных устройствах.