Основы электротехники Методические указания Основы электроники Курсовая работа Лабораторные работы Основы теории цепей

Курсовые по электротехнике и электронике. Примеры расчетных заданий

Биполярные транзисторы

Транзисторы являются управляемыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление сигналов. По принципам действия их делят на управляемые электрическим током (биполярные) и управляемые электрическим полем (полевые).

Рис. 12.13

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух электронно-дырочных переходов с общей n-областью (или р-областью), взаимодействующих между собой так, что обратный ток одного из р-n – переходов является функцией прямого тока второго перехода (рис. 12.13). В основе указанного взаимодействия лежит явление инжекции – ввода неосновных носителей тока в общую область, например дырок в
р-области в общую n-область.

Ввод дырок одной из р-областей в общую n-область происходит в несимметричном p-n – переходе при прохождении через него прямого тока . Таким образом, действие биполярного транзистора основано на процессе управления концентрациями неосновных носителей тока.

Если, например, к левому р-n – переходу подключить источник напряжения , то через первый переход пойдет прямой ток , который в
р-области левого перехода будет практически дырочным током . Поток дырок, создающих , вводится (инжектируется) в n-область. Часть инжектированных дырок рекомбенирует в n-области с электронами, поступающими от источника  Однако, большинство дырок, которые в n-области являются неосновными носителями, захватывается электрическим полем правого перехода, создавая ток . Поэтому через правый р-n – переход проходит в обратном направлении ток

,  (12.3)

где  – ток, обусловленный собственными носителями;   – ток, обусловленный инжектированными носителями.

Таким образом, левый р-n – переход с прямым током поставляет в
n-область неосновные носители тока – эмиттирует и поэтому называется эмиттерным. Он является управляющим переходом. Правый p-n – переход собирает поставленные в n-область неосновные носители тока и называется коллекторным. Общая n-область называется базой. Отходящие от соответствующих областей металлические выводы (электроды) называются эмиттером Э, коллектором К и базой Б биполярного транзистора (рис. 12.14), а токи, проходящие по ним – токами эмиттера , коллектора  и базы . База, как указывалось, может иметь электронную и дырочную проводимость. Соответственно различаются биполярные транзисторы типа p-n-p и n-p-n.

Рис. 12.14

Биполярный транзистор выполняется из кристалла германия или кремния, в котором путем вплавления, диффузии (или другим технологическим способом) примесей, например, индия, формируются два электронно-дырочных перехода (рис. 12.14).

Различают входные и выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора. Входная, или базовая, характеристика – это зависимость между током и напряжением на входе транзистора  (рис. 12.15 а).

Известны три схемы включения транзисторов:

1) с общей базой (рис. 12.16 а) – используют в устройствах для усиления напряжения и мощности;

2) с общим эмиттером (рис. 12.16 б) – применяют для усиления мощности;

3) с общим коллектором (рис. 12.16 в) – схема обладает большим выходным сопротивлением, и ее используют в так называемых эмиттерных повторителях для повышения входного сопротивления электронного устройства.

  а) б)

Рис. 12.15

 

 а) б) в)

Рис.12.16

Биполярные транзисторы обозначают буквами ГТ (германиевые) и КТ (кремниевые) с цифрами, характеризующими параметры транзистора. Основные электрические параметры транзистора следующие: ,  – ток базы и ток коллектора соответственно,   – напряжение между базой и эмиттером,   – напряжение между коллектором и эмиттером. Кроме этих параметров для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используются так называемые h-параметры:  – входное сопротивление транзистора,  – коэффициент обратной связи по напряжению,   – коэффициент передачи по току (характеризует усилительные свойства транзистора),  – характеризует выходную проводимость.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы разделяют на униполярные (с одним p-n - переходом) и полевые с изолированным затвором (без p-n - перехода) или со структурой МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Действие полевых транзисторов основано на процессах управления основными носителями тока электрическим полем, перпендикулярным направлению их движения в полупроводнике. По способам управления указанные разновидности полевых транзисторов существенно различаются.

Униполярный транзистор представляет собой полупроводник с электронно-дырочным переходом, управляемым обратным напряжением. Конструкция и условные обозначения транзистора показаны на рис. 12.17.

 

 а) б) в)

Рис. 12.17

Вывод З базы (в данном случае р-типа переход) принято называть затвором полевого транзистора. Вывод И от канала, из которого при электронном канале (n-типа) ток выходит, называется истоком. Второй вывод С называется стоком. Токи, проходящие по ним, называются токами истока  и стока .

Униполярный транзистор выполняется из кристалла кремния или германия, например р-типа (подложка), в котором создаются две области n-типа: исток И и сток С – и р-n переход, область n которого является каналом.

Транзистор с изолированным затвором (металл М), (рис. 12.18) представляет собой полупроводник П с токопроводящим слоем у поверхности соприкосновения с диэлектриком Д, концентрация носителей тока в котором изменяется в функции напряженности электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Токопроводящий канал формируется (индуцируется) из неосновных носителей полупроводника, например из электронов n полупроводника с дырочной р электропроводностью (подложки) и электрическим полем, обусловленным напряжением .

В канале электроны являются основными носителями тока. Токопроводящий канал имеет противоположную подложке электропроводность и называется инверсионным слоем полупроводника. Инверсионный слой образуется у поверхности соприкосновения полупроводника с диэлектриком, поскольку электрическое поле сосредоточено практически только в диэлектрике (непроводящем слое). На границе их раздела происходит разрыв вектора напряженности поля, что в соответствии с электромагнитной теорией означает наличие поверхностного заряда.

Концентрация носителей тока в канале определяется количеством перемещенных электрическим полем из объема полупроводника электронов и, следовательно зависит от напряжения  на затворе. Изменяется, в данном случае увеличивается, при возрастании напряжения  и ток стока Iс, пропорциональный концентрации основных (для канала) носителей. В рассмотренном МДП-транзисторе с индуцированным каналом происходит обогащение канала носителями тока при положительном (канал n-типа) или при отрицательном (р-типа) напряжении . Как и униполярный, МДП-транзистор с индуцированным каналом может управляться напряжением одного знака. Однако образование инверсионного слоя возможно и при отсутствии напряжения на затворе. Поэтому существуют МДП-транзисторы со встроенным каналом. Их особенностью является возможность работы как с обогащением, так и с объединением канала, то есть возможность управления напряжением с изменяющейся полярностью. Истоком МДП-транзистора с каналом n-типа является область полупроводника, подключенная к отрицательному зажиму источника , а каналом р-типа – к положительному.

Транзистор со структурой МДП выполняется обычно на полупроводниковом кристалле П, кремния с дырочной проводимостью, в котором создают две области n-типа – исток И и сток С (рис. 12.19 а). Поверхность кристалла между истоком и стоком покрывают диэлектриком Д – двуокисью кремния, на котором располагается металлический слой М затвора З. Условные графические обозначения транзисторов с изолированным затвором и каналами n- и p-типов приведены на рис.12.19 б, в.

 

 а) б) в)

Рис.12.19

Полевые транзисторы, особенно с изолированным затвором, имеют очень большое входное сопротивление и практически не требуют мощности для управления ими. Для действия полевых транзисторов используются основные носители заряда полупроводника. Поскольку концентрация неосновных носителей является функцией внутренней энергии твердого тела (тепловой и др. видов), а концентрация основных носителей практически не зависит от нее, то полевые транзисторы менее подвержены воздействию температуры, радиационного излучения и других факторов, изменяющих внутреннюю энергию твердого тела.

Важная особенность полевых транзисторов состоит в возможности их работы при переменном напряжении UСИ, поскольку при симметричной конструкции исток и сток транзистора одинаковы, т. е. их можно использовать в цепях переменного тока как управляемые резисторы.

СОЕДИНЕНИЕ ФАЗ ЗВЕЗДОЙ

Обмотки фаз генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками электроэнергии шестью проводами (рис. 3.4а) и получить таким путем три независимые фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, но с помощью такой схемы можно нагляднее представить условия, возникающие при объединении цепей в трехфазную систему. Как и в однофазных цепях переменного тока, стрелки на схеме показывают положительные направления фазных э.д.с. и создаваемых ими токов. Положительные направления определяет разметка зажимов обмоток фаз генератора. Внутри обмоток э.д.с. и токи направлены от «концов» (X, Y, Z) к «началам» (А, В, С). Во внешней цепи токи направлены от начал обмоток фаз генераторов к приемникам.

Для соединения звездой (условное обозначение Y) зажимы X, Y, Z («концы» обмоток фаз генератора) объединяются в одну общую точку N. Соответственно в точке и объединяются и три конца фазных цепей приемника (рис. 3.4 б) Между нейтральными точками генератора и приемника проложен общий нейтральный провод (или нейтраль) трехфазной системы, образуемый объединением трех обратных проводов.

Если предположить равными нулю поочередно все фазные эдс, кроме одной (например, проследить в объединенной системе контур тока 1Л при наличии в системе одной э.д.с. ЕА) то легко убедиться, что объединение системы не изменит контуры, по которым замыкаются фазные токи. Следовательно, в нейтральном проводе системы ток будет равен векторной сумме фазных токов:

Нагрузка всех трех фаз называется симметричной, если ток во всех фазах одинаков и равны сдвиги фаз между фазными напряжениями и токами, а также полные сопротивления отдельных фаз приемника (т, е. равны комплексные сопротивления фаз приемника).

При симметричной нагрузке сумма векторов фазных токов образует замкнутый треугольник. Следовательно, в этом случае ток в нейтральном проводе IN = 0. По этой причине для заведомо симметричной трехфазной нагрузки нейтральный провод не нужен. В частности, он не используется для трехфазных двигателей.


На главный раздел сайта: Выполнение курсовой по электротехнике