На современном этапе
технической революции
все больш ее значение
приобретают вопросы
научной организации труда
и управления,
экономики
промышленного производства,
автоматизации
технологических процессов
с применением
электронных вычислительных машин,
психологии труда и др.
Сегодня каждый инженер,
независимо
от его узкой специализации,
долж ен не тол ьк о владеть
основами знаний в этих отраслях,
но и быть информированным
о последних достиж ениях в них.
Именно эти вопросы
определяют тематику
«Библиотеки инженера».
И здател ьство
Киев
1976
«Техн1ка»
ь
основы
ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
5
I
к
3
т-’ илиа.т
г, ^^’ т н и с т р с м п р с й к т *
T£XUii4::.:ijA5' г:';г:а5зотекл
»*w
Л
6ФО.З
0-75
УДК 621.38
Основы промышленной электроники.
И с а к о в Ю. А. , П л а т о н о в А. П. ,
Р у д е н к о В. С. , С е н ь к е В. И. ,
Т р и ф о н ю к В. В. , Ю д и н Е. Е.
«Т ехн !ка», 1976, 544 с.
В книге рассмотрены современные эле
менты н устройства промышленной
электроники на осн ове полупровод
никовых приборов и
интегральных
схем : усилители, генераторы, импульс
ные устр ой ства, логические элементы,
выпрямители, инверторы, преобразова
тели
частоты,
ш иротно-импульсные
преобразователи, фильтры, стабилиза
торы, широко применяющиеся в раз
личных отраслях
народного хозяй
ства.
Приведены эксплуатационные харак
теристики
и
параметры
приборов.
Даны методики и примеры инженер
ного расчета устр ой ств промышлен1ЮЙ электроники.
Рассчитана на инженерно-технических
работников различных отраслей про
мышленности.
Табл. 38, ил. 283, библиогр. 70.
Рецензент канд.
В. А . Суш ко
техн. наук
Редакция литературы по энергетике,
электронике, кибернетике и связи
Заведующий редакцией инж,
3 . В . Бож ко
„ 3 0 4 0 4 -1 1 9
М202 (04)-76
И здательство «TexHiKa», 1976 г.
В О сн овн ы х направлениях развития народного хозяйства СС СР
в 10-й пятилетке, принятых на X X V съезде К П С С , предусмотрено
как развитие фундаментальных научных исследований, так и реш е
ние прикладных проблем, непосредственно связанных с научно-тех
ническим прогрессом , а такж е ускорение внедрения достиж ений
науки и техники в производство.
О дной из прогрессивных областей науки и техники, развитию
которой уделяется больш ое внимание, является электроника. О с о
б о е вним ание о5ращ ,аегся на р а з р а б о т к у и внедрен ие в п р ом ы ш
л ен н ость н овы х эл ек тр он н ы х а втом а ти зи р ова н н ы х у ст р о й ст в и с и с
тем в м и кр ом и н и а тю р н ом и сп ол н ен и и . С п ом ощ ью т а к и х систем о с у
щ ествл яется к о н т р о л ь , уп р авл ен и е и р е гу л и р о в а н и е различны ми
пр ои звод ствен н ы м и м ехан изм ам и,
у стр о й ств а м и и п р оц ессам и
в пром ы ш лен ности, а т а к ж е о т б о р , о б р а б о т к а и передача инф орм а
ции ш и р о к о го назначен ия.
С р едства эл ек тр о н н о й техн и к и в н а стоя щ ее время п рак ти чески
п р и м ен яю тся в о в сех о т р а сл я х н а р о д н о го х о зя й ст в а и в ы п ол н я ю тся
в осн о в н о м на б а зе п о л у п р о в о д н и к о в ы х п р и б о р о в и ин тегральн ы х
м и к р о сх е м . Э то д ает в о з м о ж н о ст ь со зд а в а т ь отдел ьн ы е ф у н к ц и о
нальны е узл ы и у ст р о й ст в а эл е к т р о н н о й а п п а р а ту р ы в виде униф и
ц и рова н н ы х, стан д артн ы х б л о к о в , что п о зв о л я ет а в том а ти зи р ов а ть
п р оц есс п р оек ти р о в а н и я , повы ш ать н а д еж н ость п р оек ти р у ем ой
ап п ар атур ы и обл е гч а ть ее эк сп л у а та ц и ю .
Х а р а к т ер н ой о с о б е н н о ст ь ю сов р ем ен н ой эл ек тр он н ой тех н и к и ,
в том числ е и ее отр а сл и — пром ы ш лен ной эл ек тр о н и к и , я вл яется
ш и рок ая ин теграция ранее почти не св я за н н ы х обл а стей науки
и техн и к и , та к и х как ф изика т в е р д о го тел а, п ол у п р ов од н и к ов ы е
п р и боры , м и к р оэл е к т р о н и к а , теор и я и п р о е к ти р о в а н и е эл ек тр и ч е
ск и х и эл ек тр он н ы х цепей и у ст р о й ст в , к о н ст р у и р о в а н и е эл е к т р о н
ны х у ст р о й ст в , вы числительная техн и к а и д р . Э то о б у сл о в л и в а е т
одн овр ем ен н о ин теграц и ю ин ж ен ерн ы х знани й, н е о б х о д и м о ст ь
ком п л ек сн ой п од гото в к и сп ец и а л и ста и си сте м а ти ч е ск о е повы ш ение
е го квал иф икации.
Этим целям и п освя щ ен а данная к н и га , в к о т о р о й и зл а га ю тся
осн ов н ы е в о п р о сы , ка са ю щ и еся у с т р о й с т в и си стем пром ы ш лен ной
эл ек тр он и к и — ф изики п р о ц е ссо в , анализа и м етод ов расчета
и п р оек ти р ов а н и я . В пр ед л агаем ом п о со б и и дл я и н ж ен ер ов а втор ы
и зл ож и л и м атериал , п ол ож и в в о с н о в у т о л ь к о п о л у п р о в о д н и к о в у ю
т е х н и к у . О сн овн ы е раздел ы со п р о в о ж д а ю т с я п р ак ти ч ески м и п р и
мерами расчета к он к р етн ы х сх ем и сп р авочн ы м и данны ми.
П ри нап исании книги и сп о л ь зо в а л ся оп ы т чтения к у р с о в «О с
новы пром ы ш лен ной эл е к т р о н и к и », «П р еобр а зов а тел ьн а я тех н и к а »,
«М ощ н ы е и м п ул ьсн ы е у с т р о й с т в а » и д р ., читаем ы х автор ам и в К и ев
ск ом п ол и тех н и ч еск ом и н сти туте.
В п о д го т о в к е м атери ал ов кн и ги приним али у ч а сти е п р е п о д а в а
тели и сотр у д н и к и каф едры эн е р ге т и ч е ск о й эл е к т р о н и к и К и е в с к о г о
п о л и тех н и ч еск ого и н сти тута . А в т о р ы и ск р ен н е им б л а год а р н ы .
А в то р ы в ы р а ж а ю т г л у б о к у ю б л а го д а р н о ст ь кан д. т е х н . н а у к
С у ш к о В . А . за ценные зам ечани я, данны е им при р ец ен зи р ова н и и
р у к оп и си .
О тзы вы и пож ел ан и я по к н и ге п р оси м н а п р а в л я т ь п о а д р е су ;
252601, Кие в, 1, Г С П , Пу шк и н с к а я , 28, издате ль с тво «Т ех н /к й ».
Глава I
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ д и о д ы
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИОДОВ
П о л у п р о в о д н и к о в ы й д и о д — э т о п р и б о р , имеющ ий два внеш них
вы вода и сод ер ж а щ и й один р -и -п е р е х о д . В за в и си м ости о т назначе
ния и ф и зи ч еск и х св о й с т в п о л у п р о в о д н и к о в ы е ди од ы к л а сси ф и ц и
р у ю т с я на р я д гр у п п , к а ж д о й из к о т о р ы х п р и св о е н о оп р ед ел ен н ое
обозн ач ен и е. В со о т в е т с т в и и с Г О С Т 10862— 72 м ал ом ощ н ы е п о л у
п р ов од н и к ов ы е д и од ы им ею т м а р к и р о в к у , с о с т о я щ у ю из ш ести
эл ем ен тов.
П ервы й эл ем ен т (бу к в ен н ы й или ц и ф ровой ) о б озн а ч а е т и сход н ы й
м атериал, из к о т о р о г о и зготов л ен п о л у п р о в о д н и к о в ы й элем ент
ди ода: Г или 1 — герм ан ий; К или 2 — кр ем н и й ; А или 3 — арсенид га л л и я. Б у к в ен н ы е обозн а ч ен и я п р и св а и в а ю т п р и б о р а м , р а б о
таю щ им при п он и ж ен н ы х т е м п е р а т у р а х (герм аниевы е — д о 60,
крем ниевы е — д о 85° С ), а ци ф ровы е — п р и б о р а м , р а бота ю щ и м при
повы ш енны х тем п ер а т у р а х (герм ан и евы е — д о 70, крем ниевы е —
д о 120° С ).
В т о р о й эл ем ен т (бу к в ен н ы й ) о б о зн а ч а е т тип п р и б о р а : Д — вы
п р ям ител ьн ы е, у н и в ер са л ьн ы е и и м п ул ьсн ы е д и од ы ; Ц — в ы п р я
м ител ьн ы е ст ол б ы и б л о к и ; С — ста би л и тр он ы и ст а б и ст о р ы ; А —
св е р х в ы со к о ч а ст о т н ы е д и од ы ; В — вар и кап ы ; И — тун н ел ьн ы е и
обр а щ ен н ы е д и од ы ; Л — и зл у ч а ю щ и е д и од ы .
Т р ети й элем ен т (ц и ф р овой ) х а р а к т е р и з у е т назначен ие диода
или его эл ек т р и ч еск и е св о й ст в а .
Д и оды низкой и высокой част от ы:
выпрямительные
малой
мощ ности (среднее значение прямого тока /^р ме
нее 0 ,3 А ) — 1; выпрямительные средней мощности (/^ р = 0 ,3 . . . 10 А) — 2; уни
версальные (предельная частота
до 1000 М Г ц ) — 4 ; импульсные с временем
восстановления обратного сопротивления 1 0 А ) , к о т о
ры е н азы ваю тся си л овы м и вентил ям и, в со о т в е т ст в и и с ГО С Т
10662— 73 имеют м а р к и р о в к у , с о с т о я щ у ю из четы рех эл ем ен тов.
П ервы й
элем ен т — с о с т о и т
из
1— 3 б у к в .
П ервая б у к в а
В
(вен ти л ь) — у к а зы в а ет на п р и н а д л еж н ость прибора к классу
си л овы х вен ти л ей . В тор а я б у к в а — у к а з ы в а е т на п р и н а дл ел ш ость
вентиля к гр у п п е л авинны х (Л ) или в ы с о к о ч а с т о т н ы х (Ч ). В тор ая
или т р е т ь я б у к в а В в п ер в ом эл ем ен те о з н а ч а е т , ч то вентил ь имеет
вод я н ое о х л а ж д ен и е .
В то р о й эл ем ен т (ч и сл о в о й ) — с о о т в е т с т в у е т п р ед ел ьн ом у зна
чению п р я м о г о т о к а в а м п ер ах, п р о х о д я щ е г о чер ез вентил ь при
ука зан н ы х в п а сп о р те у с л о в и я х э к с п л у а тац и и .
—{>1— — [^>1—
Т р ети и эл ем ен т (ч и сл о в о й ) — оп р е д е л и a
d
d
______ j^ j__
ет к л а сс в ен ти л я : ч и сл о , х а р а к т е р и з у ю щ е е
к л а сс вен ти л я, р а в н о п р ед ел ьн ом у зн а ч ег
д
е
нию ам п ли туды п о в т о р я ю щ е го ся н а п р я ж е
ния в
вольтах,
Ч етверты й
дел енн ом у
эл ем ен т
на
^ фйчёс!;^ ^ б Г н а ч ^ . Г
1 0 0
(б у к в е н н ы й ) —
ха-
выпрямительных, у„„вер-
р а к т ер и зу ет г р у п п у , к к о т о р о й о т н о с и т с я сальных, импульсных и СВЧ
вентил ь. К а ж д о й гр у п п е, о б о зн а ч а е м о й бов^иблоко^™-^одто^^^^
буквам и А , Б , В и т . д ., с о о т в е т с т в у е т
оп р ед ел ен н ое падение н а п р я ж ен и я на о т - билитронов; г —туннельных
кр ы том в ен ти л е при п р о х о ж д е н и и ч ер е з
дов:^
ирикмов*
н его п р ед ел ь н ого п р я м о го т о к а .
М а р к и р о в к а п о л у п р о в о д н и к о в ы х д и о д о в дана для п р и б о р о в ,
вы п уск а ем ы х с 1964 г. Д и од ы , р а зр а б о т а н н ы е д о 1964 г ., имеют
ст а р у ю м а р к и р о в к у , к о то р а я п р и в од и тся в со о т в е т с т в у ю щ и х сп р а
воч н и к а х .
У сл о в н ы е обозн а ч ен и я д и о д о в п ок а за н ы на р и с. 1.1.
2. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
В ы п р ям и тел ьн ы е ди оды , п р едназначенн ы е для п реобразован и я
п ер ем ен н ого т ок а п он и ж ен н ой ч а стоты в п о сто я н н ы й , п од р а зд ел я
ю тся на со б с т в е н н о вы п ря м и тел ьн ы е ди од ы (/ср < 10 А ) и сил овы е
вентили (/ср > 10 А ). П редел ьн ая р а боч а я ч а стота вы п ря м и тел ь
ны х д и од ов не превы ш ает 5 — 20 к Г ц , а си л о в ы х вентилей 50—
500 Гц. В н а стоя щ е е врем я в нащ ей ст р а н е р а зр а бота н ы и сер и й н о
в ы п у ск а ю тся си л ов ы е вентили типа В Ч , р а б о та ю щ и е на ч астотах
д о 2 0 0 кГ ц .
О сн ов ой вы п р я м и тел ьн ого ди ода я в л я е тся п ол у п р ов од н и к ов а я
пл астинка п р я м о у го л ь н о й или к р у г л о й ф орм ы с р -п -п е р е х о д о м .
На п л а сти н к у с д в у х ст о р о н н а н о ся т м етал л и чески е кон такты ,
к котор ы м п р и соед и н я ю т внеш ние эл е к тр о д ы . П ол учен н ы й вентил ь
ный элем ен т за к л ю ч а ю т в к о р п у с , обесп еч и в а ю щ и й н е о бх о д и м у ю
м еха н и ч еск ую п р о ч н о сть и за щ и ту о т в оздей стви я ок р у ж а ю щ ей
среды . М иним альная толщ ина п о л у п р о в о д н и к о в о й пластинки о гр а
ничена ее м ех ан и ч еск ой п р о ч н о сть ю и, как п р а в и л о, нам ного
б о л ь ш е тр ебу ем ой толщ ины . П о это м у ш ирина б а зо в о й обл асти
р-га-перехода н а м н ого бол ьш е ш ирины эм и ттер н ой . Д ля и з го т о в л е
ния д и од ов в качестве и с х о д н о го обы ч н о и сп о л ь з у ю т п о л у п р о в о д
ник /г-типа. С л ед ова тел ьн о, ба зов а я о б л а ст ь ди ода имеет эл е к т р о н
н у ю эл е к т р о п р о в о д н о с т ь . К он ц ен тр ац и я прим есей в б а зе н а м н ого
м еньш е, чем в эм и ттер е. П о э т о м у со п р оти в л е н и е базы н а м н о го
бол ьш е, чем эм и ттер а и ср а в н и м о по величине с соп р оти вл ен и ем
p-tt-п ер ех од а .
Н еобх од и м а я пл ощ адь р -п -п е р е х о д а за в и си т от д о п у ст и м о й ве
личины т ок а , од н а к о м аксим ал ьная величина площ ади огр ан и чен а
тр ебова н и я м и м ехан и ч еской п р оч н ости п о л у п р ов о д н и к о в о й плас-
Рис.
1.2. Прямая ветвь В А Х идеального р-п-перехода /
и реального диода 2 (о) и полная В А Х диода (б).
ти н к и , зависящ и м и о т св о й с т в к о н т а к т о в м ета л л и чески х э л е к т р о
д ов и п ол у п р ов од н и к а , к о т о р ы е им еют отл и чаю щ и еся коэф ф ициенты
л и н ей н ого р а сш и р ен и я . П о э т о м у в п р о ц е ссе эк сп л у а та ц и и при м н о
гок р а т н о п о в то р я ю щ и х ся ц и к л а х н агрева (за сч ет п р ох ож д ен и я
п р я м ого т о к а ) и осты ван и я в о з м о ж н о р а стр еск и в а н и е п о л у п р о в о д
н и к овы х п л а сти н ок бо л ьш о й площ ади и з-за у ст а л о ст н ы х явл ен и й .
В ол ьт-а м п ер н ая х а р а к тер и сти к а и парам етры вы п р я м и тел ьн ого
ди ода о тл и ч аю тся о т ан ал оги ч н ы х у и д еа л ьн ого р -« -п е р е х о д а ,
что о б у сл о в л е н о вл иянием ш ирин ы б а з о в о й о б л а ст и , св о й ст в к о н
та к тов и п о в ер х н ост и п о л у п р о в о д н и к а и д р у ги м и ф актор ам и . Э то
отли чие и л л ю стр и р у е тся граф иками В А Х и д еа л ьн ого /?-«-п е р е х о д а
(кривая 1) и р е а л ь н ого ди ода (к р и в а я 2 ), показанны м и на р и с. 1 . 2 ,а.
И з р и су н к а ви дн о, что п рям ы е ветви В А Х отл и ч а ю тся на величину
А [ / , п р ед ста в л я ю щ у ю с о б о й с у м м у падений н а п р я ж ен и я на к о н т а к
та х t/к , в о б л а ст я х эм иттера (]^ и базы Ua'. A U = t/к + U a + Ue.
Д ля п р и бл и ж ен н ы х р а сч етов м о ж н о п р ен ебр еч ь падениями н а п р я
ж ения в о бл а сти эм иттера и на к о н т а к т а х , соп р оти в л ен и я к о то р ы х
н а м н ого м еньш е соп р о ти в л е н и я ба з о в о й о б л а сти Гб. С учетом э т о г о
д оп у щ ен и я В А Х ди од а (р и с. 1.2, б) м о ж н о о п и са ть уравнени ем
/ = /о б р 1 е (^ ^ -'^ б )/? г - 1 ],
(1-1)
к о т о р о е сп р а в е д л и в о лиш ь дл я н ебол ьш и х у ч а с т к о в В А Х , х а р а к т е
р и з у ю щ и х ся н и зк и м и значени ям и п р и л ож е н н о го н а п р я ж ен и я (п р я
м ого или о б р а т н о г о ).
П ри повы ш ении п р я м о го н а п р я ж ен и я потен ц и ал ьн ы й ба р ьер
р -я -п е р е х о д а н а ст о л ь к о сн и ж а е т ся , что п р а к ти ч еск и п ер естает
в л и ять на пр я м ой т о к ди ода, значение к о т о р о г о в о сн о в н о м оп р ед е
л яется соп р оти в л ен и е м ба з о в о й о б л а ст и . С л е д ов а тел ьн о, т о к ди ода
линейн о з а в и си т от н а п р я ж е н и я . Э тот у ч а сто к п р я м ой ветви В А Х ,
назы ваем ы й ом и чески м , оп и сы в а ется при бли ж ен н ы м уравнени ем
где t/fl — н а п р я ж ен и е о т се ч к и , р а в н ое о т р е з к у , отсек а ем ом у на
оси н а п р яж ен и й л инейн ой ч а стью х а р а к т е р и ст и к и ; /?д — c tg v —ди ф ф еренциальное со п р о ти в л е н и е, х а р а к т е р и зу ю щ е е наклон ли
н ей н ой части х а р а к т е р и ст и к и .
С оп р оти в л ен и е
в о з р а ст а е т при увеличении тем п ера тур ы .
О б этом св и д етел ь ст в у е т ум ен ьш ение угл а н ак л он а 7 с повы ш ением
тем п е р а ту р ы . П ар ам етр ы
и
оп р е д е л я ю т ся из В А Х ди ода
или при н и м аю тся равны м и:
^ (0 ,5 ... 0 ,7 ) фо и
st; Гб.
В кр и в ой о б р а т н о г о т о к а ди ода /обр о т су т с т в у е т у ч а ст о к н а сы
щ ен и я, х а р актер н ы й для и д еа л ьн ого р -/г-п е р е х о д а . В озр а ста н и е
/обр при увели чении о б р а т н о г о н а п р я ж ен и я о б у сл о в л е н о эф ф ек
тами ген ерац ии и л а в и н н о го р а зм н ож ен и я н оси тел ей за р я д а в объ ем е
/?-/г-п ер ехода, а та к ж е вл ияни ем т о к о в п о в е р х н о ст н ы х утеч ек. П ри
этом ур авн ен и е для о б р а т н о г о т о к а имеет вид
/об р =
( / о - j- / г ) +
/у т ,
где М — коэф ф ициент л а в и н н о го разм н ож ен и я н оси тел ей за р яда ,
за ви ся щ и й от св о й с т в п о л у п р о в о д н и к о в ы х о б л а ст е й , о б р а зу ю щ и х
р -п -п е р е х о д , а та к ж е о т величины о б р а т н о г о н а п р я ж е н и я ; /д —
т о к н асы щ ен и я , о б у сл о в л е н н ы й ген ерац ией н оси тел ей за р я д а за
пределам и о бл а сти р -п -п е р е х о д а ; /г — т о к тер м оген ер а ц и и , о б у с
л овл ен н ы й ген ерац ией н оси тел ей за р я д а в о бл а сти р -п -п е р е х о д а ;
/ут — т о к утечки , о бу сл о в л е н н ы й эл е к т р о п р о в о д н о ст ь ю п о в е р х
н ости п о л у п р о в о д н и к а .
Т о к и /о и /г х а р а к т е р и з у ю тся эк сп он ен ц и а л ьн ой за в и си м ость ю
о т т ем п ер а т у р ы , к о т о р у ю м о ж н о о п и са ть приближ енн ы м и у р а вн е
ниями
/о (Г) = /о {То)
/г (Г) = h (То)
где /о(Т'о) и /г (Т ’о) — значения со о т в е т с т в у ю щ и х т о к о в при Т =
= 300 К', а и Ь — коэф ф и ц и ен ты , за в и ся щ и е от тем п ер а ту р ы и
св о й ст в п о л у п р о в о д н и к а . Д л я кр ем н и я в р абочем д и а п а зон е темпе
р а ту р а
0 ,1 3 , Ь ^ 0 ,0 7 1/° С . Т о к /ут от тем п ер а ту р ы за ви си т
сл а б о (п о ср а в н ен и ю с /о и /г ) . П о э т о м у е го сч и та ю т постоя н н ы м
в о всем р абочем ди ап азон е те м п е р а ту р . Д л я п р и б л и ж ен н ы х р а сч е
тов тем п е р а т у р н у ю за в и си м о сть о б р а т н о г о т о к а м о ж н о оп р ед ел и ть
из эм п и р и ч еск ого соотн ош ен и я
/обр(7’) = /обр(7’о ) . 2 < ^ ^ ,
■
из к о т о р о г о ви дн о, ч то обр атн ы й т о к удва и ва ется при повы ш ении
тем п ер а ту р ы на каж ды е 8 — 10° С.
В ол ьт-а м п ер н ая х а р а к тер и сти к а и сп о л ь зу е тся для определени я
о сн о в н ы х п а р ам етр ов д и о д о в , к к отор ы м о т н о с я т с я :
п р я м ой т о к /пр. ср — ср едн ее значение п р я м о го т о к а , вы зы ваю ш,ее д оп у сти м ы й н а гр ев ди ода при определен н ы х у с л о в и я х о х л а ж
д ен и я ;
п р я м ое падение нап р яж ен и я t/np. ср — ср едн ее значени е н а п р я
ж ения на ди од е при п р ох ож д ен и и п р я м о го т о к а ;
ди ф ф ерен циал ьное со п р о ти в л е н и е
— отн ош ен и е приращ ения
н ап р я ж ен и я на д и од е к вы звавш ем у е го м ал ом у п риращ ен ию т о к а ;
обратны й ток /обр — т о к , проходящ ий через ди од при прило
ж ении к нему обр атн ого напряжения (Уобр;
предельный ток
/„р. „ако — максимально д оп у сти м ое
среднее
значение прямого тока ;
м ак си м ал ьн ое о б р а т н о е н а п р я ж ен и е (Уобр. макс — н аи бол ьш ее
м гн овен н ое значение о б р а т н о г о н а п р я ж ен и я , д л и тел ьн о п р и к л ад ы
ва ем ого к д и о д у и не в ы зы ва ю щ его изменения е го пар ам етр ов;
ди ап азон ч а стот А / — ч астотн ы й ин тервал , в п р еделах к о т о р о г о
прям ой т о к не ум ен ьш ается н и ж е за д а н н ого у р о в н я . И ногда п р и в о
д я т п р ед ел ьн у ю ч а ст о т у ди а п а зон а ч а ст о т /максВ ы п р ям и тел ьн ы е ди оды в ы х о д я т из с т р о я д а ж е при к р а т к о в р е
м енны х п ер ен а п р я ж ен и я х , п р евы ш аю щ и х вел ичину нап ряж ения
п р обоя /з-п -п ер ех од а . Э т о го н ед оста тк а лиш ены лавинны е п р и б ор ы ,
отн ося щ и еся к гр у п п е си л о в ы х вентилей. У л авинны х вентилей,
р а ссч и тан н ы х на т о к и 10— 1000 А и н а п р яж ен и я д о 2000 В , д о п у с т и
мая величина эн ер ги и , р а ссеи ва ем ой в обр а тн ом направлении при
п е р ен а п р я ж ен и я х , с о с т а в л я е т 0 ,2 — 1 Д ж .
В ы п р ям и тел ьн ы е ст о л б ы и бл о к и и сп о л ь з у ю т ся в в ы с о к о в о л ь т
ны х вы п ря м и тел ях и у м н о ж и те л я х н а п р я ж ен и я . К о н ст р у к т и в н о
он и п р ед ста в л я ю т с о б о й од н у или н е с к о л ь к о гр у п п сп ец и ал ьн о
п од обр а н н ы х д и о д о в , п осл ед ов а тел ьн о соеди н ен н ы х м еж ду с о б о й .
Эти гр уп п ы п ом ещ аю т в пл а стм а ссовы й к о р п у с и зал и ваю т полимер и зую щ ей ся см ол ой . В ы прям и тельн ы е ст о л б ы в отли чие от в ы п р я
м ительны х б л о к о в д о п у с к а ю т п осл ед ов а тел ьн ое и парал лел ьн ое
соеди н ен и е.
В ол ьт-ам п ер н ы е
ха р а к тер и сти к и
вы п рям ител ьны х
ст о л б о в и б л о к о в по ф орм е со в п а д а ю т с В А Х , а их парам етры ана
л огичн ы парам етрам вы п рям ител ьны х д и о д о в .
в та б л . 1 . 1 приведены н е к о т о р ы е парам етры вы п ря м и тел ьн ы х
д и о д о в , си л о в ы х вентил ей, в ы п ря м и тел ьн ы х с т о л б о в и б л о к о в .
О бозн ачен и я п р и б о р о в в дан ной и п о сл е д у ю щ и х т а б л и ц а х , в ы п у с
каем ы х в н а стоя щ ее врем я, н о р а зр а б о т а н н ы х д о 1964 г ., с о о т в е т
ст в у ю т Г О С Т 5461 — 59.
Таблица 1.1
Тип
и обозн ач ен и е
п ри бор а
'п р . с р А
Кремниевые
К Д 1 0 3 А -К Д 1 0 5 В
Д206— Д 2 П
Д217— Д218
Д226— Д226Е
диоды
0,1— 0,3
0,1
0,1
0,3
Кремниевые
Д202— Д205
Д214— Д 215Б
Д221— Д222
Д229— Д230Б
Д231— Д234БП
Д242— Д248БП
2Д 201А— Г
К Д 202А— G
К Д 203А— Д
К Д 2абА — В
2Д212А
2 Д 2 1 3 А -Б
В10— В500
ВВ320— ВВ500
ВЛЮ — ВЛ320
ВЛВ320— В Л В500
ВЧЮ — ВЧ200
^обр. м акс
В
0,1
1
20 000
блоки
0,1
0,01
0,01
1 ООО
20 000
50 ООО
3. СТАБИЛИТРОНЫ
И СТАБИСТОРЫ
С таби л и тр он — э т о п о л у п р о в о д н и к о в ы й д и о д , у к о т о р о г о на
обр а тн ой ветви В А Х им еется у ч а ст о к , р а сп ол ож ен н ы й в обл а сти
эл е к т р и ч е ск о г о п р о б о я (р и с. 1.3, а), ^ о т у ч а с т о к , х а р а к т е р и з у ю
щ и й ся сл а бой з а в и си м о сть ю н а п р я ж ен и я о т т о к а , я в л я ется р а
боч и м .
Д л я и зготов л ен и я ста б и л и т р о н о в и сп о л ь з у ю т крем н и й , та к как
крем ниевы е р -п -п е р е х о д ы им ею т н ебол ьш и е о б р а т н ы е т о к и , не п р и
в одя щ и е к са м о р а з о гр е в у п о л у п р о в о д н и к а ка к в п р ед п р об ой н ой
о б л а сти , т а к и в о б л а ст и эл е к т р и ч е с к о го п р о б о я . П о э т о м у п е р е х о д
в обл а сть п р о б о я р езки й , а р а боч и й у ч а ст о к , идущ ий п р а к ти ч ески
dcm.%/°C
0,1
Ж б т т ш и !„,в
Г
Рис. 1.3.
Характеристики
стабилитронов.
п ар а л л ел ьн о оси т о к о в , не имеет о б л а ст и о т р и ц а т е л ь н о го с о п р о т и в
л ен и я , х а р а к т е р н о й для т е п л о в о г о п р о б о я . Н а п р я ж е н и е п р о б о я ,
я в л я ю щ ееся н а п р яж ен и ем ста б и л и за ц и и , за в и си т от п а р а м етр ов
и сх о д н о го п о л у п р о в о д н и к а и т е х н о л о ги и е го о б р а б о т к и . У ст а б и л и
т р о н о в с н и зк о о м н о й ба з о й , р а б о т а ю щ и х при н а п р я ж е н и я х ст а б и л и
зации д о 3 В , п р о б о й н о си т тун н ел ьн ы й х а р а к те р . В д и а п а зон е
н а п ряж ен ий о т 3 д о 7 В п р о б о й о п р ед ел я ется сов м естн ы м дей стви ем
т у н н ел ь н о го и л а в и н н ого м ех а н и зм ов п р о б о я . У ст а б и л и т р о н о в
G вы сок оом н ой б а з о й , р а б о т а ю щ и х при н а п р я ж е н и я х ста би л и за ц и и
свы ш е 7 В , п р об ой н о сн т л авинны й х а р а к т е р , та к как р -п -п е р е х о д ы
имеют зн а ч и тел ьн у ю ш и р и н у , и п о э т о м у н а п р я ж е н н о ст ь эл е к т р и ч е
с к о г о поля в н и х н ед оста точ н а для в озн и к н ов ен и я ту н н е л ь н о го
п р о б оя .
П р я м а я ветвь В А Х ст а б и л и т р о н а п р а к ти ч еск и не отл и ча ется
от пр я м ой ветви В А Х в ы п р я м и те л ьн о го д и од а .
К осн ов н ы м парам етрам ста б и л и т р о н о в о т н о с я т с я :
Н а п р я ж ен и е ста би л и за ц и и i/ст — падение н а п р я ж ен и я на ст а
б и л и тр он е при п р ох о ж д е н и и з а д а н н о го т о к а ста би л и за ц и и . Д ля
х а р а к те р и ст и к и изменения
на р абоч ем у ч а стк е в п а сп ор тн ы х
дан н ы х п р и в од я т д оп у сти м ы й р а з б р о с н а п р яж ен и я ста би л и за ц и и
Д (/ст (в п р оц ен та х ).
Т ок стабилизации /ст — т о к , соотв етств у ю щ и й напряж ению ста
билизации (Уст. В справочной литературе п р и водятся такж е зна
чения минимального тока стабилизации / „ . мин, с о о т в е т а в у ю щ е г о
началу рабочего участка, и м аксим ального
тока
стабилизации
Уст „акс. при котор ом рассеиБземая м ощ н ость не превыш ает д о п у с
тим ого значения.
Д иф ф еренц иальное со п р о т и в л е н и е г „ — со п р о т и в л е н и е , х а р а к
т ер и зу ю щ ее наклон р а б о ч е го у ч а ст к а . В еличина г „ = d V c J d h f
ха р а к тер и зует степ ен ь ст а б и л ь н о ст и н а п р я ж ен и я ста би л и за ц и и
при изменении ток а ста би л и за ц и и . В за в и си м ости о т величины Гст
ста би л и тр он ы м ож н о у сл о в н о р а здел и ть на две гр у п п ы : р е г у л и р у ю
щ ие (общ его н азн ачен и я), и сп ол ьзу ем ы е в ст а б и л и за т о р а х и огр а н и
чи тел ях п о ст о я н н о г о и п ер ем ен н ого н а п р я ж ен и я , и о п о р н ы е (п р ец и
зи он н ы е), к о т о р ы е с л у ж а т источн и кам и э т а л о н н о г о нап р яж ен и я
в сх е м а х , где т р е б у е т с я в ы сок а я степ ен ь ста би л и за ц и и н а п р я ж ен и я .
Т ем п ер атур н ы й коэф ф ициент нап р яж ен и я
ста би л и за ц и и Ос,
п р ед ставл яет с о б о й о т н о си т е л ь н о е изм енение н а п р яж ен и я ста б и л и
зац и и , со о т в е т ст в у ю щ е е изм енению тем п ер а ту р ы на один гр а д у с
при п остоя н н ом т о к е ста би л и за ц и и :
CtcT — ~jj
1
^
1ЛП0/ I
l/(.^=const»
Граф ик, п оказанны й на р и с. 1.3, б, х а р а к т е р и з у е т изм енение Ос,
в за в и си м ости о т величины н а п р яж ен и я ста б и л и за ц и и . И з граф ика
ви дн о, что в сл у ч а е пр еобл адан и я т у н н е л ь н о го п р о б о я {Ucr <
< 5 ,4 В) Ост отр и ц ател ен . Б о л е е в ы со к о в о л ь т н ы е ста би л и тр о н ы ,
у к о т о р ы х п р еобл ад а ет лавинны й п р о б о й , им ею т пол ож и тел ьн ы й
Сет. Н а п р а к ти к е для сн и ж ен и я
п о сл е д о в а т е л ь н о с о ста би л и
т р о н о м , р аботаю щ и м в н ор м а л ьн ом (о бр а тн о м ) н ап р авл ен и и , вкл ю
чаю т один или н е ск о л ь к о с т а б и л и т р о н о в , р а б о та ю щ и х в п рям ом на
правл ен и и . Э то о б у с л о в л е н о тем , что прям ая ветвь В А Х ста б и л и
т р он а имеет отр и ц ател ьн ы й тем п ера тур н ы й коэф ф ициент н а п р я ж е
н и я. В м есто ста б и л и т р о н о в в прям ом н ап равл ени и м о г у т бы ть
вкл ю чены вы п ря м и тел ьн ы е ди оды , у к о т о р ы х прям ая ветвь В А Х
т а к ж е имеет отри ц а тел ьн ы й тем п ер а ту р н ы й коэф ф ициен т нап р я
ж ен и я , или т е р м о р е з и ст о р ы , им ею щ ие отри ц а тел ьн ы й тем п ер а ту р
ный коэф ф ициент с о п р о т и в л е н и я . Э тот прин цип и сп о л ь з у е т ся при
и зготов л ен и и п р ец и зи он н ы х ста б и л и т р о н о в , у к о т о р ы х п о л у п р о
в од н и к овы й эл ем ен т со д е р ж и т три р -п -п е р е х о д а : один р а боч и й ,
а два д р у г и х , вкл ю ч ен н ы х п осл е д о в а те л ь н о с р абоч и м в прямом
н ап р авл ен и и , к ом п ен си р у ю щ и е .
М а к си м а л ь н о д оп у сти м а я р а ссеи ва ем а я м о щ н о сть Рмакс — до
п у ст и м о е значени е п остоя н н ой или средн ей р а ссеи в а ем ой на ста би
л и тр он е м ощ н ости , при к о т о р о й обесп еч и в а ется заданная надеж
н о ст ь . В еличина Р макс При повы ш ении т ем п ер а ту р ы сни ж ается
п о л и н ей н ом у з а к о н у .
К ром е перечисленны х параметров, в справочниках часто при
водя тся максимальные значения прямого ток а /пр. мако и падения
напряж ения при прохож ден и и прям ого тока f/np. макс
Д л я ста би л и за ц и и н и зк о в о л ь тн ы х н а п р я ж ен и й и сп о л ь зу е тся
прям ая в ет в ь В А Х . Т а к и е п р и б о р ы , назы ваем ы е ст а б и ст ор а м и ,
и м ею т н а п р я ж ен и е ста б и л и за ц и и в д и а п а зо н е 0 ,3 — 1 В и х а р а к т е
р и з у ю тся о тр и ц а тел ьн о й вел ичиной Сст.
О с о б у ю г р у п п у ср ед и ст а б и л и т р о н о в с о с т а в л я ю т д в у х а н о д н ы е
(д в у х ст о р о н н и е ) ст а би л и т р о н ы , к о т о р ы е им ею т си м м етр и ч н ую В А Х
(р и с. 1.3, в). В д в у х а н о д н ы х ст а б и л и т р о н а х и сп о л ь зу е т ся т р е х с л о й
ная сим м етричная р -п -с т р у к т у р а . П рин цип р а боты п р и б о р о в о с н о
ван на см ы кан и и сл о е в о б ъ е м н о го за р я д а , к о т о р о е н а ст у п а е т при
та к ом н а п р я ж ен и и , к огд а грани ца о б л а сти о б ъ е м н о го за р яда о б р а т
н о в к л ю ч е н н о го р -п -п е р е х о д а д о х о д и т чер ез б а з о в у ю о б л а ст ь д о
гр ан и ц ы о б л а ст и о б ъ е м н о го за р я д а п р я м о в к л ю ч е н н о го р -м -п ер ех од а . П р и эт ом р е з к о ув ел и ч и в а ется т о к через с т р у к т у р у , к а к при
эл ек т р и ч еск ом п р о б о е . Н а п р я ж е н и е см ы кания (н а п р я ж ен и е с т а б и
л и зац и и ) за в и си т от ш ирин ы и у д е л ь н о г о со п р от и в л е н и я ба з о в о й
о б л а ст и .
Д в у х а н о д н ы е ст а б и л и т р о н ы д о п о л н и т е л ь н о х а р а к т е р и з у ю т ся
н еси м м етр и ч н ость ю н а п р я ж ен и я ста би л и за ц и и Яст, п р ед ста в л я ю Таблица 1.2
н
да
и
Тип с та б и л и
т р он а
ш
н
и
а
S
и
и
J ,
«вт*
С
5
и
«
со
S
Ci,
О д н о в т о р о н н и е
Д 808— Д811, Д813
Д 8 И А -Д 8 1 4 Д
Д 8 1 5 А -Д 8 1 5 Ж
Д 816А — Д 81 7Г П
Д 818А — Д 818Е
2С 156А, 2 0 1 68А
К С 1 9 6 А -Г
2 С 9 2 0 А -2 С 9 8 0 А
К С 1 3 3 А -К С 1 6 8 А
K C t91M , Н , П , Р
К С 2 П Б — К С 211Д
К С 620А — К С 680А
СК1, С К 2
СК С-15
С К Т-15
Д в у Xа н 0 д н ы е
В К Л С -5
О Н С К -7
О Н С К -9
О Н С К -1 5
400— 1500
1200— 1799
1800— 2599
400— 900
5
_
16— 33
_
,
_
123— 225
15
щей р а зн о ст ь н а п р я ж ен и й ста би л и за ц и и при д в у х равны х по а б с о
л ю тн ой вел ичине и п р о т и в о п о л о ж н ы х п о зн а к у заданн ы х то к а х
стаби л и за ц и и . Д в у х а н о д н ы е ста би л и тр о н ы в ы п у с к а ю тся на р абочие
нап р яж ен и я д о 5000 В при т о к а х ста би л и за ц и и д о 1 А с д о п у с к а е
мым ур ов н ем р а ссеи в а ем ой эн е р ги и д о 100 Д ж . О н и и сп о л ь з у ю т ся
в у стр о й ств а х п р е об р а зо в а т е л ь н о й те х н и к и для сн и ж ен и я перен а
пр я ж ен и й л ю б о й п о л я р н о сти , в м ощ н ы х о гр а н и ч и тел я х н а п р я ж е
ния и т . д .
В та бл . 1.2 приведены н е к о т о р ы е п ар ам етр ы ста б и л и т р о н о в .
4, УНИВЕРСАЛЬНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ
И СВЕРХВЫ СОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ.
ВАРИКАПЫ
В у н и в ер са л ь н ы х д и о д а х , п редн азн ачен н ы х дл я и сп ол ьзов а н и я
в сх ем а х н ел и н ей н ого п р е о б р а зо в а н и я эл е к т р и ч е ск и х си гн а л ов
(вы п рям л ение, д етек ти р о в а н и е и т . д .) в д и а п а зон е ч а стот д о
1000 М Г ц , и сп о л ь з у ю т с я точеч н ы е р -л -п е р е ходы , р азм еры к о т о р ы х м еньш е х а р а к тер и сти ч еск ой дл ины , оп р ед ел я ю щ ей ф и зи ческ и е
п р оц ессы в р -п -п е р е х о д е (н а п р и м ер , толщ ина
/э-п -п е р е х о д а ).
Т оч еч н ы е п ер ех од ы
им еют
н е б о л ь ш у ю пл ощ адь. П о э т о м у у н и вер са л ьн ы е
ди оды х а р а к т е р и з у ю т ся
малыми прямыми
токам и не бол е е 150 м А и ни зким и зн а ч ен и я
Рис. 1.4. В А Х уни
ми д оп у ст и м ой м ощ н ости р а ссе я н и я .
версального диода.
Д ля у н и в ер са л ьн ы х д и о д о в ха р а к тер н ы
ср а в н и те л ь н о н и зк и е р а боч и е н а п р яж ен и и (д о 150 В ), что о б ъ я с
н я ется резки м в о зр а ста н и е м о б р а т н о г о т о к а при повы ш ении н а п р я
ж ения из-за с у щ е с т в е н н о г о увели чен и я т о к а утеч ки и т о к а терТаблица 1.3
Тип у н и в е р са л ь н о г о
ди од а
м оген ер а ц и и . В обл а сти п р о б о я на о б р а т н о й ветви В А Х имеется
у ч а ст о к аЬ с отр и ц а тел ьн ы м со п р о ти в л е н и е м (р и с. 1.4).
О сн овн ы м и парам етрам и у н и в ер са л ьн ы х д и о д о в (та б л . 1.3) я в
л я ю тся предельный гок /„р. макс, максимальное обратное напряже
ние Uo6p. макс. обратный ток /обр, предельная частота /„акс и про
ходн ая ем к ость Спр, представляю щ ая со бо й величину статической
ем кости м еж ду зажимами диода.
И м п у л ьсн ы е д и од ы , р а б о т а ю щ и е в р еж и м е п ер ек л ю ч ен и я в б ы с
тродей ствую щ и х пмпульсных схемах (л огические схем ы , диодны е
ограничители и ф иксаторы уровня и
т. д .) , д ол ж н ы обл адать минимальной
д л и тел ьн остью переходны х п р оц ессов
при вклю чении и выключении.
П р о ц е сс вкл ю ч ен и я х а р а к т е р и з у
ется уста н овл ен и ем п р я м о го падения
н а п р я ж ен и я на д и о д е . И з р и с. 1.5, а
в и дн о, ч то в начал ьн ы й м ом ент в к л ю
чения на со п р о т и в л е н и и ба зы им еется
зн а ч и тел ьн ое падение н а п р яж ен и я
Иб,
которое
п остеп ен н о
убы вает
в сл ед ств и е ум ен ьш ения с о п р о т и в л е
ния б а з ы Лб. У м ен ьш ени е Гб о б у с л о в
л ен о п р о ц е ссо м н ак оп л ен и я в ба зов ой
Рис. 1.5. Графики переходных
о б л а сти ди ода н еосн ов н ы х носи тел ей
проц ессов в диоде;
за р я д а , и н ж ек ти р уем ы х эм и ттер ом .
а — при вк л ю чен и и ; б — при в ы к л ю Н а п р я ж ен и е на р -л -п е р е х о д е L/nep,
как и об ы ч н о, у вел и ч и ва ется от нуля
д о у ста н о в и в ш е го ся зн а ч ен и я. О бщ ее падение н а п р я ж ен и я на д и о
де, я в л я ю щ е го ся су м м ой U q + б'пер, и зм ен яется в за в и си м о сти от
соот н о ш ен и я меледу этим и н а п р я ж ен и я м и . Д л и т е л ь н о ст ь п р оц есса
вкл ю чения сн и ж а ется при ум ен ьш ении со п р о ти в л е н и я б а зо в о й
обл а сти и площ ади /?-п -п ер ех од а .
В ы к л ю ч ается д и од на п р а к ти к е д вум я сп о со б а м и . П ри первом
с п о с о б е чер ез д и од п осл е прек ращ ен и я и м п ул ьса п р я м о го т о к а п р о
х од и т т о к о б р а т н о г о н а п р а вл ен и я , вы званны й п осл еи н ж ек ц и он н ой
Э Д С , к о то р а я со ст о и т из падения н а п р яж ен и я на о тк р ы то м ди од е
и Э Д С Д е м б е р а , о б у сл о в л е н н о й разли чием п од в и ж н остей э л е к т р о
н ов и д ы р о к . П осл еи н ж ек ц и ои н а я Э Д С п о ст еп е н н о ум ен ьш ается
в сл ед ств и е р асса сы в а н и я н а к оп л ен н ы х в б а зе н оси тел ей заряда
и з-за р еком би н ац и и , и обр а тн ы й т о к убы в а ет д о н у л я .
П ри в тор ом с п о с о б е п осл е подачи на д и од и м п ул ьса н ап ряж ен ия
о б р а т н о й п ол я р н ос ти (р и с. 1.5, б) н е к о т о р о е время р -п -п е р е х о д
оста ется в со ст о я н и и п р я м о го вкл ю чен и я в сл ед ств и е т о г о , ч то к он
центрация н ер а в н ов есн ы х н оси тел ей з а р я д а , н а к оп л ен н ы х в б а з о
вой обл а сти при п р о х о ж д е н и и п р я м о го т о к а , отли чна о т нуля
и ск а ч к ом и зм ен и ться не м о ж е т . П р и этом через д и од п р о х о д и т
обр атн ы й т о к , величина к о т о р о г о за в и си т от внеш н его нап ряж ения
и соп р оти в л ен и я цепи д и о д а . Ч ер ез н е к о то р ы й п р о м е ж у т о к времени
и збы точн ы е н оси тел и зар яда и счеза ю т в сл ед ств и е п р о ц е сса р е
к ом бинац ии и н а п р я ж ен и е на уз-м-переходе падает д о н у л я . С э т о г о
мом ента врем ени р -п -п е р е х о д ок а зы в а е тся вкл ю ченны м в обр а тн ом
нап равл ен и и и со п р о т и в л е н и е е го в о з р а ст а е т . О б ра тн ы й т о к в тече
ние п р ом еж у тк а врем ени
ум ен ьш ается д о ст а ц и о н а р н о го зн а ч е
н и я. В рем я в осста н о в л ен и я о б р а т н о г о с о п р о т и в л е н и я
4осст =
= ^1 + ^ 2 сн и ж а ется с ум еньш ением тол щ и н ы и площ ади б а зо в о й
о бл а сти , а т а к ж е при увели чении к р у ти зн ы и м п ул ьса нап ряж ения
обр а тн ой п о л я р н о с т и . Д л я ум ен ьш ения 4осст сл е д у е т сн и ж а ть
к ол и ч еств о и збы точ н ы х н оси тел ей за р я д а , н а к а п л и в а ю щ и х ся в б а
зов ой о б л а ст и ди од а при п р отек а н и и п р я м о го т о к а .
О с о б у ю гр у п п у и м п у л ь сн ы х д и о д о в , у к о т о р ы х эф ф ект н а к о п л е
ния о т с у т с т в у е т , с о с т а в л я ю т д и од ы Ш оттк и (д и оды на «го р я ч и х »
эл ектр он ах), в котор ы х и сп ол ьзуется вы прямляю щ ий к о н та к т ме
та л л — п о л у п р о в о д н и к . О сн о в о й ди од а я в л я е тся н и зк о о м н а я п о л у
п р ов од н и к ов а я пл астинка с эл е к т р о н н о й э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю ,
на к о т о р о й со з д а е т ся в ы со к о о м н а я пленка тол щ и н ой 1— 1,5 мкм
п ол у п р ов од н и к а и -ти п а . Н а п о в е р х н о с т ь пленки н а н о ся т м етал ли
чески й сл о й , сл у ж а щ и й о д н ов р ем ен н о эл ек тр и ч еск и м к о н та к том .
Е сл и к т а к о м у п е р е х о д у п р и л о ж и т ь внеш нее н а п р я ж ен и е, т о п р а к
ти ч еск и все падение н а п р я ж ен и я б у д е т п р и х о д и т ь ся на у з к у ю
в ы со к о о м н у ю о б л а с т ь , н а п р я ж е н н о ст ь эл е к т р и ч е с к о г о пол я в к о
т о р о й д о ст и г а е т зн а чи тел ьн ы х величин (д о 10® В /м ). В р е зу л ь та т е
эл ек тр он ы «р а з о гр е в а ю т с я », т. е. п р и о б р е т а ю т эн е р ги ю , д о с т а т о ч
н у ю дл я п р еод ол ен и я п оте н ц и а л ь н о го б а р ь е р а п ер ех од а м е т а л л п о л у п р о в о д н и к и п е р е х о д я т в м ета л л и ч ески й сл о й . П о с к о л ь к у
н оси тел и за р я д а при эт о м не н а к а п л и в а ю тся , т о и н е р ц и о н н о ст ь
д и од ов Ш оттки невел и ка и оп р е д е л я е тся т о л ь к о за р я д н о й е м к о стью
п ер ех од а и врем енем п р ол ета эл е к т р о н о в через сл о й в ы со к о о м н о го
полупроводн ика.
^ ф е к т н а к оп л ен и я не всегд а отр и ц ател ен и и сп о л ь з у е т ся в д и о
д а х с н а к оп л ен и ем за р я д а (Д Н З ), к о т о р ы е н а зы ва ю т та к ж е н а к оп и
тельны м и д и од а м и . В эт и х д и о д а х в ба з о в о й о б л а ст и со зд а е т ся не
равн ом ер н а я по ш и р и н е ба зы к он ц ен тр а ц и я п р и м есей . В р е зу л ь та те
возн и к а ет эл е к тр и ч е ск о е пол е, п р е п я т ст в у ю щ ее н а к оп л ен и ю н о си
телей зар я д а в отдал ен н ы х от р -п -п е р е х о д а о б л а с т я х базы . П о это м у
при п р ох о ж д ен и и п р я м о го т о к а осн о в н а я ч а сть и збы точн ы х н оси те
лей заряда н ак а п л и ва ется вбл изи р -« -п е р е х о д а . Е сл и к Д Н З при
л о ж и т ь о б р а т н о е н ап р я ж ен и е, т о в течен и е врем ени
(р и с. 1 .5 , б)
обр а тн ы й т о к , а н ал оги ч н о ранее р а ссм о т р е н н о м у , не и зм ен яется.
к м ом ен ту ок он ч а н и я
в б а зе о с т а е т с я н езн а ч и тел ьн ое к о л и ч е ств о
и збы точ н ы х н оси тел ей и п о э т о м у п р о ц е сс их р а сса сы в а н и я п р о и с
х о д и т за н ебол ьш ой п р о м е ж у т о к врем ени
к - Э то с в о й с т в о
Д Н З п о зв ол я ет и сп о л ь з о в а т ь их в к а ч еств е ф ор м и р ов а тел ей п р я м о
у го л ь н ы х и м п у л ь сов с о ч е н ь кр у ты м и ф рон та м и .
К осн ов н ы м п арам етрам и м п у л ь сн ы х д и о д о в (та бл . 1.4) от н о ся тС Я ! п р е д е л ь н ы й Т О К / п р . м а к о м а к си м а л ьн ое о б р а т н о е н а п р я ж ен и е
Uo6p. макс. обратны й ток /обр, время восстановления обр атн ого с о
противления ^восст, ем к ость диода Сд, максимальный им пульс тока
/имп. макс. представл яю щ ий собой наибольш ее значение тока в им
п ул ьсе заданной д л и тел ьн ости , к отор ое не вызывает повреж дения
ди ода, а такж е им пульсное прямое сопротивление /?имп. пр. являю
щ ееся отнош ением им пульсного напряж ения на диоде к вызвави:ему его и м пульсу тока.
Таблица 1.4
Сверхвысокочастотные (С В Ч ) д и од ы и сп о л ь з у ю т ся в у ст р о й с т в а х ,
р а б ота ю щ и х в са н ти м е тр о в о м и м и л л и м етр ов ом д и а п а зон а х вол н.
В за в и си м о сти о т назначен ия ди од ы С В Ч р а зд е л я ю тся на см е си те л ь
ны е, п р ед н азн ачен н ы е дл я п р е о б р а зо в а н и я С В Ч си гн а л а и сигнала
гетероди н а в си гн а л п р о м е ж у т о ч н о й ч а ст о т ы ; д ете к то р н ы е (ви д ео
д и од ы ), предн азн ачен н ы е для д етек ти р ова н и я С В Ч кол ебан и й ,
т . е. для п р еоб р а зов а н и я и м п ул ьса С В Ч кол ебан и й (р а д и ои м п ул ьса )
в и м п ул ьс оги ба ю щ ей (в и д е о и м п у л ь с); п а р а м етр и ч ески е, предназ
начен ны е для р а б оты в у си л и т е л я х С В Ч к о л еб а н и й ; р е гу л и р у ю щ и е ,
предназначенн ы е для р а б о т ы в п ер е к л ю ч а т е л я х , огр а н и ч и тел я х
и м о д у л я т о р а х С В Ч к о л еба н и й ; у м н ож и тел ьн ы е, и сп ол ьзу ю щ и еся
для ум н ож ен и я С В Ч кол еба н и й ; ген ер а тор н ы е, предназначенны е
для ген ери р ован и я С В Ч кол еба н и й . В к а ч еств е д и о д о в С В Ч и сп о л ь
зу ю тся ди оды с точечны м и р -п -п е р е х о д а м и , л ави н н о-п р ол етн ы е
(Л П Д ), ди оды Ш отт к и , Д Н З , ди оды Ган на и д р .
К осн ов н ы м п арам етрам д и о д о в С В Ч о т н о с я т с я ; е м к о ст ь , и н дук
ти в н ость , п отер и п р ео б р а зо в а н и я , д о б р о т н о с т ь , ч у в ств и те л ь н о сть
по т о к у и д р . Эти парам етры х а р а к т е р и з у ю т св о й ст в а д и о д о в С В Ч
при и сп ол ьзова н и и их в к о н к р е тн о м к л а ссе сх ем .
В ари кап ы — э т о п о л у п р о в о д н и к о в ы е ди оды , в к о т о р ы х и сп ол ь
зу ется з а в и си м ость ем к ости от вел ичины о б р а т н о г о н а п р яж ен и я.
В ари капы предназначены для прим енения в к а ч естве нелинейны х
к он д ен са тор ов с эл ек тр и ч еск и у п р а в л я ем ой вел ичиной ем к ости .
Р а зн ов и д н остью в а р и к а п о в я в л я ю т ся в а р а кт о р ы , предназначенн ы е для ум н ож ен и я С В Ч с
си гн а л ов.
И звестн о, что з а р я д и ш ирина р -п -п е р ехода
и зм ен яю тся в за в и си м о сти от ве
личины и п ол я р н ос ти вн еш н его н а п р я ж е
ни я. К р ом е т о г о , вел ичина за р я д а избы точ н ы х
носи тел ей в ба зо в о й об л а сти т а к ж е изм ен яется
при изменении н а п р я ж е н и я . С л ед ов а тел ьн о, д
ди од м ож н о о х а р а к т е р и з о в а т ь д вум я е м к о ст я ^
ми: ба р ь е р н о й , отр а ж а ю щ ей изм енение за р я рис. 1.6. Вольт-фарадДОВ в р -/г-п ер ех од е, и ди ф ф узи он н ой (за р я д ная характеристика ван ой ), отр а ж а ю щ ей изм ен ение з а р я д о в в б а з о рикапа.
вой о бл а сти .
Д иф ф узионн ая е м к о ст ь , п р еобл а да ю щ а я при прям ом вклю чении
д и од а , х а р а к те р и з у е т ся си л ьн ой з а в и си м о сть ю от тем п ературы
и частоты и имеет н и зк у ю д о б р о т н о с т ь . П о э т о м у в а р и ка п ы и сп о л ь
з у ю т ся при обр а тн о м в кл ю чен и и , когд а п р еобл а д а ет барьерн ая
е м к ост ь . З н ачение ба р ь е р н о й ем к ости м ож ет бы ть оп р ед ел ен о из
уравнени я
С = es.f)S/l
(S — п л ощ адь, а I —
— ш ирин а р -п -п е р е х о д а ), из к о т о
р о г о видн о, что ем к о ст ь за в и си т от св о й с т в п о л у п р о в о д н и к а , к о н
стр у к ц и и /?-п -п ер еход а и п р и л о ж е н н о го н а п р я ж ен и я .
В а ж н ой х а р а к т ер и ст и к о й в а р и к а п ов яв ля ется вольт-ф арадная
х а р а к тер и сти к а , п р ед ста вл яю щ а я с о б о й за в и си м ость ем к ости вар и
капа от величины о б р а т н о г о н а п р яж ен и я (р и с. 1 .6 ).
К основн ы м параметрам варикапов (табл . 1.5) о т н о ся тся ; номи
нальная ем к ость Сном при обратном напряжении Uo6p = 4 В ; мак
симальная Смаке и минимальная С„„н ем кости при минимальном
и максимальном обратном напряжении; д о б р о т н о сть Q, представ
ляющ ая собой отнош ение реактивного сопротивления к полному
(при t/обр = 4В).
сопротивл ен ию потерь на заданной частоте; температурный к оэф
фициент ем к ости Т К Е , характеризую щ ий отнош ен ие относител ь
ного изменения ем кости при за
дан ном напряж ении к вызвавш е
му его а бсол ю тн ом у изменению
тем пературы и др.
5. ТУННЕЛЬНЫ Е И ОБРАЩЕННЫЕ
ДИОДЫ
Т ун н ел ьн ы м и
н а зы ва ю тся
д и од ы на о сн о в е вы р ож ден н ы х
пол упроводн иков, у
которы х
ту н н ел ьн ы й эф ф ект п р и вод и т к
п оя в л ен и ю на п р я м ой
ветви
В А Х у ч а стк а с отр и ц а тел ьн ой
ди ф ф ерен циальной
проводим о
ст ь ю .
С у щ н о ст ь ту н н е л ь н о го эф ф ек
та за к л ю ч а ется в т о м , ч то име
Рис.
1.7.
Энергетические
диаграм
ется м ал ая, н о кон ечная в е р о я т
мы туннельного диода:
н о с т ь п ер ех од а эл е к т р о н а , о б л а
а — и = 0;
б — и =
в— U
д а ю щ е го
эн ер ги ей ,
меньш ей
г — и < 0; д — В А Х
диода.
эн е р ге т и ч е ск о й вы соты п о т е н ц и
ал ь н ого ба р ьер а р -п -п е р е х о д а , через потен ц и ал ьн ы й б а р ьер при
д о ст а т о ч н о м ал ой ш ирин е р -п -п е р е х о д а и в ы со к о й н а п р я ж ен н ости
эл е к т р и ч е ск о го п ол я . П ри эт о м эн е р ги я эл е к т р о н а не и зм ен я ется .
Иными сл ов а м и , эл ек тр он ка к бы «ту н н е л и р у е т» («п р о са ч и в а е т ся »)
через потен циал ьны й ба р ьер р -п -п е р е х о д а .
Н а р и с. 1.7, а п ок азан а эн е р ге ти ч е ск а я ди агр ам м а р -п -п е р е х о д а
т у н н е л ь н о го ди ода при о т су т ст в и и вн еш н его н а п р я ж е н и я . С тр ел
ками сн абж ен ы те эл ек тр он ы , к о т о р ы е м о г у т перейти в см еж ны й сл ой
бл а год ар я ту н н ел ь н о м у эф ф ек ту. И з р и су н к а ви дн о, что всл ед ств и е
вза и м н ого пер ек ры ти я вал ен тн ой зон ы /^-области и зоны п р о в о д и
м ости /г-обл асти ча сть эл е к т р о н о в эт и х зон н а ход и тся на оди н аковы х
эн ер гети ч еск и х у р о в н я х . У р о в е н ь Ф ерми р а сп ол а га ется в пределах
с о о т в е т ст в у ю щ и х разр еш ен н ы х зон , та к как обл а сти р- и л-типа
обр а зова н ы вы рож денн ы м и п ол у п р ов од н и к ов ы м и сл о я м и . При
этом к ол и ч еств о эл е к т р о н о в с эн ер ги ей , превы ш аю щ ей эн ер ги ю
ур ов н я Ф ерм и, н ев ел и к о . П ри о т с у т с т в и и вн еш н его эл е к т р и ч е с к о го
поля встр ечн ы е п оток и ту н н е л и р у ю щ и х эл е к т р о н о в равны и общ ий
т о к через д и од равен н у л ю .
Е сл и к д и о д у п р и л ож и ть н е бо л ь ш о е п р я м ое н а п р я ж ен и е, то
вы сота п отен ц и а л ь н о го б а р ь е р а и степ ен ь п ер ек ры ти я зон у м ен ь
ш а ю тся . П ри эт ом п о т о к эл е к т р о н о в , т у н н е л и р у ю щ и х из п- в робл а ст ь п р а к ти ч еск и не и зм ен я ется , а встречны й п о т о к значител ьно
сн и ж а ется (р и с. 1.7, б ). В р е з у л ь та т е в озн и к а ет т о к , направленны й
из р - в п -о б л а с т ь , к о то р ы й в о з р а ст а е т при увели чении н ап ряж ен ия
до м а к си м а л ьн ого значения / п (у ч а с т о к О— 1 на р и с. 1.7, д ). П ри
н ап р яж ен и и , равн ом (Уп, у р о в е н ь Ф ерм и «-о б л а с т и со в п а д а е т с в е р х
ней грани цей вал ен тн ой зоны р -о б л а с т и (р и с. 1.7, б). П ри дал ьн ей
ш ем повы ш ении п р я м о го н а п р я ж ен и я т о к ди од а сн и ж а ется д о мини
м а л ьн ого значения /в и з-за ум ен ьш ения к ол и чества т у н н е л и р у ю
щ их эл е к т р о н о в (у ч а с т о к 1— 2 на р и с. 1.7, д ). Э то о б у с л о в л е н о тем,
что п о м ере сн и ж ен и я степен и п ер ек ры ти я зон ум ен ьш а ется к о л и
ч е ст в о эл е к т р о н о в в зон е п р ов од и м ости и -о б л а ст и , эн ер ги я котор ы х
м еньш е в ер хн ей грани цы вал ен тн ой зон ы р -о б л а ст и . П ри н а п р яж е
ни и, равн ом и в, в е р х н я я гран и ц а вал ен тн ой зоны / j -о б л а ст и со в п а
дает с ни ж н ей гр ан и ц ей зон ы п р о в о д и м о ст и п -о б л а ст и (р и с. 1.7, в).
П осл ед у ю щ ее повы ш ение н а п р я ж ен и я п р и в од и т к увел и чен и ю п р я
м о г о ток а (у ч а ст о к 2 — 3 на р и с. 1.7, д ), ч то о б у сл о в л е н о сниж еннем
п отен ц и а л ьн ого б а р ь е р а р -/г-п ер ех од а а н а л оги ч н о обы ч н ом у д и о д у .
Е сл и к ту н н е л ь н о м у д и о д у п р и л о ж и ть о б р а т н о е н а п р яж ен и е, то
п оток э л е к т р о н о в , т у н н е л и р у ю щ и х из п- в р -о б л а с т ь практи чески
не и зм ен яется, а встр еч н ы й п о т о к в сл ед ств и е повы ш ения степени
пер ек ры ти я зон в о з р а ст а е т (р и с. 1.7, г). В р е зу л ь та т е обр а тн ы й ток
ди ода зн ачи тел ьн о у вел и ч и ва ется при н ебол ьш ом повы ш ении о бр а т
н о г о н а п р я ж ен и я . И зм енен ие п о т о к а д ы р о к в ту н н ел ьн ом ди оде
п р о и сх о д и т а н а л оги ч н о.
К основн ы м параметрам туннельн ы х ди одов (табл. 1 . 6 ) о т н о
с я т ся : пиковый ток /п . т о к впадины /в , напряжение пика Un,
напряжение впадины U b\ напряж ение раствора L/pp, отнош ение т о
ков /п // в : ем к ость ди од а Сд и ряд други х параметров.
Т ун н ел ьн ы е д и од ы п р и м ен я ю тся в у си л и те л я х , ге н е р а то р а х и
клю чевы х устр ой ствах.
Таблица 1.6
Тип туннельного
диода
1И 102А1И 302АГИ304АГИ305АЗИ 101АЗИ 201АЗИ 301А-
-1И 102К
-1И 302Г
-ГИ 304Б
-Г И 3 0 5 Б
-З И Ю Ш
-ЗИ 201Л
-ЗИ 301Г
О б ра щ ен н ы е — э т о п о л у п р о в о д н и к о в ы е д и од ы , э л е к т р о п р о в о д
н о с т ь к о т о р ы х при о б р а т н о м н а п р я ж ен и и зн а ч и тел ьн о б ол ьш е, чем
при п р я м ом , в сл ед ств и е т у н н е л ь н о го эф ф екта. О бра щ ен н ы е диоды
о тл и ч а ю тся от ту н н е л ьн ы х меньш ей к он ц ен т
рацией п р и м есей , в сл е д ст в и е ч е го при о т с у т
стви и в н еш н его н а п р я ж ен и я эн ер гети ч еск и е
зон ы не п е р е к р ы в а ю т ся . П о э т о м у принцип
р а б о ты о б р а щ е н н о го ди од а при прям ом на
п р я ж ен и и ан ал оги чен р а б о т е о б ы ч н о го . П ри
о б р а т н о м н а п р я ж ен и и вал ентная зона р -о б л асти и зон а п р о в о д и м о сти п -о б л а ст и взаим н о
п е р е к р ы в а ю т ся . П о э т о м у п р о х о ж д е н и е о б р а т
н о г о т о к а о б у с л о в л е н о тун н ел ьн ы м эф ф ектом .
Рис. 1.8. В А Х обра
щ енного диода.
В ол ьт-а м п ер н а я х а р а к те р и ст и к а обр а щ ен
н о г о ди од а п ок азан а на р и с. 1.8. В отл и чи е
от т у н н е л ь н о го ди ода на пр я м ой ветви В А Х п р а к ти ч еск и о т с у т с т
в у е т м а к си м у м . О б р а тн ы е ветви В А Х о б р а щ е н н о го и ту н н е л ь н о го
д и о д о в со в п а д а ю т . Д л я п р а к ти ч е ск и х целей и с п о л ь з у ю т зе р к а л ь
н ое о т о б р а ж е н и е В А Х , п о в е р н у т о е на 180° (на р и с . 1.8 п о к а з а н о
ш тр и х а м и ), т . е. сч и та ю т о б р а т н у ю в етв ь п р я м о й , а п р я м у ю —
о б р а т н о й . П р и этом обр а щ ен н ы е д и од ы им ею т зн а чи тел ьн о м ен ь
ш ее падение н а п р я ж е н и я в пр я м ом н ап р авл ен и и по ср а вн ен и ю
Таблица 1.7
Тип о б р а щ е н н о г о
д и од а
АИ 402Б— АИ402И
ГИ 401А— ГИ401Б
ГИ403А
/П> м А
0,1— 0,4
0 ,2 -0 ,5
0,1— 0,15
в
0,6
0,33
0,28— 0,35
t/о б р .
в
0,25
0,09
0 , 12—
0,135
Сд, п Ф
1— 4
2,4— 5,6
3
/обр. “ А
0,4— 10
2,5— 5
8
с обы чн ы м и д и ода м и , н о о б р а т н о е н а п р я ж е н и е и х та к ж е невел ико
(0 ,3 - 0 , 5 В ).
О бращ ен н ы е д и од ы и с п о л ь з у ю т ся в д е т е к т о р а х , см еси тел ях
и кл ю чевы х у ст р о й с т в а х , р а б ота ю щ и х при м алы х си гн а л а х . О сн о в
ны е парам етры обр а щ ен н ы х д и о д о в приведены в т а б л . 1.7.
6. МОДЕЛИ ДИОДОВ
Ш и р о к о е вн едрен и е эл е к т р о н н о й тех н и к и п р а к ти ч еск и в о все
отр а сл и н а р о д н о го х о з я й с т в а , повы щ ение тем п ов н а у ч н о-тех н и ч е
с к о г о п р о г р е сса , у сл о ж н е н и е эл е к т р о н н ы х си стем и у с т р о й с т в о б у
сл ови л и н е о б х о д и м о ст ь автом атизаци и п р о ц е сса п р оек ти р ов ан и я
эл ек тр он н ой а п п а р а ту р ы с п ом ощ ью Э В М . М аш и н н ое п р о е к ти р о
вание п о зв ол я ет н а х о д и т ь н а и б ол ее оп ти м ал ьн ы е с точки зрения
т е х н и к о -эк о н о м и ч е ск о й эф ф ек ти вн ости р еш ен и я , а та к ж е дает в о з
м о ж н о сть а н а л и зи р ов а ть сл ож н ы е эл е к тр о н н ы е у ст р о й ст в а при
л ю бом соч ета н и и вн еш н и х в озд е й ств и й . О д н ой из важ нейш их
задач п р оек ти р ов а н и я я в л я ется м одиф икация су щ е ст в у ю щ и х и с о з
дан ие н овы х эк в и в а л ен тн ы х сх е м (сх ем н ы х м оделей ) элем ентов
эл ек тр он н ы х у ст р о й с т в с ц ел ью уп р ощ ен и я и в т о ж е время повы
шения точ н ости р а сч е то в .
О сн о в о й бол ьш и н ства сх ем н ы х м оделей я в л я е тся математиче
ск а я м одель, х а р а к т е р и зу ю щ а я ф и зи к у п р о ц е с с о в , п р ои сх од я щ и х
в п р и б ор е. С хем ная м од ел ь д ол ж н а оп и сы в а ться п росты м и матема
ти чески м и в ы р аж ен и я м и , с д о ст а т о ч н о й т о ч н о ст ь ю отраж аю щ им и
ф и зи ческ и е п р оц ессы в п р и б о р е , т. е. уравн ен и я сх ем н ой модели
дол ж н ы бы ть по в о зм о ж н о ст и точны м отр а ж ен и ем ур авн ен и й мате
м ати ческ ой м одели. М од ел ь ди ода в общ ем виде я в л я е тся интерпре
тацией за в и си м ости м еж д у т о к о м ди ода и п рил ож ен н ы м нап р яж е
нием.
Д ля п остр оен и я и д еа л и зи р ова н н ой модели ди ода (р и с. 1.9, « )
и сп ол ьзуется ур а вн ен и е вол ьт-а м п ер н ой ха р а к тер и сти к и (В А Х )
р -/г-п ер ех од а
I = I^{eV/9T— \).
В р еа л ьн ы х д и о д а х н е о б х о д и м о у ч и ты в а ть вл и ян и е со п р о т и в л е
ния б а зо в о й обл а сти (при прям ом в к л ю ч ен и и ), со п р о т и в л е н и е по
в ер х н ост н ы х утеч ек (п ри о б р а тн о м в кл ю ч ен и и ) и ем к ости р -«-п е р е х ода (в п ер еход н ы х п р о ц е с са х ). У ч е т эт и х явл ений с доста точ н ой
степ ен ью точ н ости о тр а ж а е тся в модели Э б е р са — М ол л а , пок азан
ной на р и с. 1.9, б, к о т о р а я и сп о л ь з у е т ся как в ди н а м и ч еск ом , так
и в ста ти ч еск ом р еж и м а х (в посл едн ем сл у ч а е из модели и склю ча
ю тся к он д ен са тор ы ). П ар ам етр ы м одели Э б е р са — М ол ла — ток
генератора I = f (f/nep), зависящий о т напряжения на р-/г-переходе
t^nep; барьерная Сбар и диффузионная Сдиф ем кости; сопротивление
базы Гб и сопротивление утечки Гут — оп р ед ел я ю тся математиче
ским либо экспериментальны м путем.
К у соч н о-л и н ей н а я м одель д и ода (р и с. 1.9, в) обл а д а ет п р о ст о т о й
и н а гл я д н ость ю , од н а к о имеет н е б о л ь ш у ю т о ч н о ст ь и не о тр а ж а е т
зави си м ости м еж ду внеш ними эл ек тр и ч еск и м и парам етрам и ди ода
Рис. 1.9. Модели диодов:
а — идеал и зи рован н ая ; б — Э б е р с а — М ол л а ; в — к у со ч н о -л и н е й н а я ; г — л и н еар и зо
ванная В А Х д и о д а ; д — Л ин вил л а; е — Б ь ю ф э у — С п а р к са .
и е го ф изи ческ и м и св о й ст в а м и . М од ел ь с о с т о и т из т р е х эк в и в а л е н т
ны х сх ем , х а р а к т е р и з у ю щ и х реж и м п р я м о го в кл ю ч ен и я ( / ) , о б р а т
н о го вкл ю чен и я (2) и эл е к т р и ч е с к о г о п р о б о я (5 ). П а р а м етр ы модели
оп р ед ел я ю т из л и н еа р и зов а н н ой В А Х ди од а (р и с. 1.9, г) с помош,ью
соотн ош ен и й г„р s c tg у ь Гобр = c t g
Гпроб = c t g 7 з;
(Jo;
U npo6.
в модели Л и н ви л л а (р и с . 1.9, д) п о л у п р о в о д н и к о в а я с т р у к т у р а
п р ед ста вл яется в виде со в о к у п н о с т и си м в о л и ч е ск и х эл ем ен тов ,
о т р а ж а ю щ и х ф и зи ч еск и е п р о ц е ссы в объ е м е и на п о в е р х н о ст и п о л у
п р овод н и к а : с т о р а н с 5 — эл ем ен т, х а р а к т е р и зу ю щ и й п р о ц е сс на
к оп л ен и я н еосн ов н ы х н оси тел ей за р я д а в со о т в е т ст в у ю щ е й обл а сти
п о л у п р о в о д н и к а ; ди ф ф узан с
— элем ент, х а р а к т е р и зу ю щ и й п р о
цесс диф ф узии н е о сн о в н ы х н оси тел ей за р я д а ; ком би н а н с
—
элемент, ха р а к тер и зу ю щ и й п р о ц е сс р еком би н ац и и н еосн ов н ы х н о
сител ей за р я д а . Н а р и с. 1.9, д через п (0 ) и р (0 ) — обозн а ч ен ы избы
точны е кон ц ен тр ац и и н еосн ов н ы х н оси тел ей зар яда на гран и цах
р -п -п е р е х о д а , через Спер — е м к ость р -« -п е р е х о д а . С и м воли ческим
элементам модели с о о т в е т с т в у ю т эл ек тр и ч еск и е величины : анало
гом сто р а н са я в л я е т ся е м к о ст ь , ди ф ф узан са и ком би н ан са — эл е к
т р о п р о в о д н о сть , избы точ н ой к он ц ен тр ац и и н еосн ов н ы х носителей
заряда — н а п р я ж ен и е в у зл е. П ар ам етр ы модели Л и нвил ла о п р е
д ел я ю тся через ф и зи ч еск и е парам етры ди ода.
М одел ь Б ь ю ф о у — С п а р к са (за р я д оу п р а в л я ем а я м одель) ба зи
р у ется на м етоде за р я д а , у ста н а вл и ва ю щ ем с в я з ь м еж д у изменением
во времени за р я д а н еосн ов н ы х н оси тел ей в б а зо в о й обл а сти и ток ом ,
п р ох од я щ и м через ди од :
.■ W -" 4 r + ^
.
5 В т) и бол ьш ой (Ррасс > 1.5 В т) мощ
ности.
П о д и а п а з о н у ч а с т о т (в за в и си м о сти о т значени я п р ед ел ьн о д о
п у ст и м о й р а боч ей ч а стоты fa) р а зл и ч а ю т н и зк о ч а сто тн ы е (/а <
< 3 М Г ц ), ср ед н еч а стотн ы е (3 М Г ц < / * < 3 0 М Г ц ), в ы с о к о ч а с
тотн ы е (30 М Г ц < /а < 300 М Г ц ) и с в е р х в ы со к о ч а ст о т н ы е (/а >
> 300 М Г ц ) тр а н зи сто р ы .
О с о б у ю гр у п п у т р а н з и ст о р о в с о ст а в л я ю т лавинны е, полевы е
и од н о п е р е х о д н ы е .
В со о т в е т ст в и и с Г О С Т 10862— 72 т р а н з и ст о р ы им ею т м а р к и
р о в к у , с о с т о я щ у ю из ш ести эл ем ен тов .
П ер в ы й эл ем ен т (бу к в ен н ы й или ц и ф ровой ) о бо зн а ч а е т и сх о д
ный м а тер и ал , из к о т о р о г о и зготов л ен п о л у п р о в о д н и к о в ы й элемент
т р а н з и ст о р а : Г или 1 — герм ан и й , К или 2 — кр ем н и й , А или 3 —
^
(7
8
г
^ ^
9
е
ж
а
и
Рис. 2.1. У словны е графические обозначения транзисторов:
а — р -п -р -т и п а ; б — п -р -« -т и п а ; в — л а в и н н о го р -п -р -ти п а ; г — п о л е в о г о с кан ал ом п -тип а;
д — п о л е в о г о о канал ом р -т и п а ; е — п о л е в о г о с изоли рован н ы м за тв о р о м о б о г а щ е н н о г о типа
с р-к ан а л ом ; ж — п о л е в о г о с изол и р ов ан н ы м за тв о р о м о б е д н е н н о г о ти п а о «-к а н а л о м ; а —
о д н о п е р е х о д н о г о о п -б а зо й ; и — о д н о п е р е х о д н о г о с р -ба з о й .
ар сен и д гал л и я. Б у к в е н н ы е обозн а ч ен и я им ею т п р и б о р ы , р а б о т а ю
щ ие при п он и ж ен н ы х те м п е р а т у р а х (герм ан и евы е — д о 60, кр ем н и
евы е — д о 85“ С ), а ци ф ровы е — п р и б ор ы , р а бо т а ю щ и е при п ов ы
ш ен н ы х т е м п е р а ту р а х (герм ан и евы е — д о 70, крем ниевы е — до
120° С ).
В т о р о й эл ем ен т — б у к в а Т — пр и сва и ва ется всем тр а н зи сто р а м ,
за и ск л ю ч ен и ем п ол е в ы х , у к о т о р ы х втор ы м эл ем ен том яв л я ется
буква П.
Т р ети й эл ем ен т (ц и ф р овой ) х а р а к т е р и з у е т м о щ н о ст ь и ди апазон
ч а ст о т т р а н з и ст о р а :
малой мощ ности
4 < 3 М Г ц — 1 , 3 М Гц < 4 < 30 М Гц — 2, /^ > 30 М Г ц — 3;
средней мощ ности
4 < 3
М Г ц — 4, 3 М Г ц < 4 < 3 0
М Гц- 5 ,
4 > 3 0 М Г ц — 6;
больш ой мощности
4 < 3
М Г ц — 7, 3 М Г ц < / ^ < 3 0
М Г ц - 8, 4 > 30 М Г ц — 9.
Ч етв ер ты й и пяты й элем енты (ц иф ровы е) о б о зн а ч а ю т п о р я д к о
вый н ом ер р а зр а б о т к и от 01 д о 99.
Ш ест ой элем ент (бук вен н ы й ) обо зн а ч а е т р а зн о в и д н о сть данной
гр уп п ы п р и б о р о в , отл и ч а ю щ и х ся одним или н еск ол ь к и м и парам ет
рами, не я в л я ю щ и м и ся кл асси ф и к ац и он н ы м и .
У сл ов н ы е гр аф и ч еск и е обозн а ч ен и я т р а н зи ст о р о в со гл а сн о
ГО С Т 2 .7 3 0 — 73 п ок а за н ы на р и с. 2.1 (обозн а ч ен и я т р а н з и ст о р о в
на ч ер теж ах д ол ж н ы в ы п ол н я ться л иниям и о д и н а к о в о й толщ ины
с линиями эл е к т р и ч еск и х св я з е й ; д о п у ск а е т ся вы чер чи вать о б о з н а
чения т р а н з и ст о р о в бе з о к р у ж н о с т е й , за и ск л ю ч ен и ем п ол евы х
и лавинны х тр а н з и с т о р о в ).
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Б и п ол яр н ы й т р а н з и ст о р , п о л у п р о в о д н и к о в ы й элем ен т к о т о р о го
сод ер ж и т два р -/г-п ер ех од а , п р ед ста в л я ет с о б о й т р е х с л о й н у ю п о л у
п р о в о д н и к о в у ю с т р у к т у р у , со з д а н н у ю в одн ом к р и ста л л е путем
введения ак ц еп тор н ой или д о н о р н о й прим еси. В за в и си м ости от
эл ек тр оп р ов од н ост и и с х о д н о го п о л у п р о в о д н и к а р азл и ч аю т р -п -р
и /г-/ 7 -п -тр а н з и ст о р ы (р и с . 2 .2 ). О дна из кр а й н и х обл а стей т р а н зи с
т ор а (н ап ри м ер , л ев а я ) н азы вается эм и ттер ом , а п р ил егаю щ ий к ней
р -п -п е р е х о д /7 — эм и ттерн ы м . П р авая о б л а ст ь н азы вается к ол л ек
т о р о м , а п р и л егаю щ и й к ней р -/г-п е р е х о д / 2 — кол л ектор н ы м .
Ц ен тр ал ьн ая о б л а ст ь , назы ваем ая б а з о й , имеет зн а ч и тел ьн о м ень
ш у ю по ср а вн ен и ю с эм и ттер ом и к о л л е к т о р о м кон ц ен трац и ю при
м есн ы х а том ов.
3
J2
И
п
Л
к
р
л
—
+
а
Рис.
2.2.
Схематическое
устройство и направления
зистора:
ток ов
тран
а — р -п -р -ти п а ; 6 — п*р*п-типа.
Т р а н з и ст о р — п р и б о р обр а ти м ы й , т. е. эм иттер и кол л ек тор
м ож н о пом ен ять м естам и . О д н а к о с в о й ст в а т р а н з и ст о р а при прямом
(н орм альн ом ) и об р а т н о м (и н в ер сн ом ) вкл ю чен и и разли чны , та к как
о бл а сти эм и ттер а и к о л л е к т о р а о тл и ч а ю тся р азм ерам и и эл е к т р о
ф изическим и св ой ст в а м и . П о л я р н о ст и н а п р яж ен и й на эл е к тр о д а х
т р а н зи ст ор а , со о т в е т ст в у ю щ и е н ор м а л ьн ом у в к л ю ч ен и ю , показаны
на р и с. 2 .2 . П ри и н вер сн ом вкл ю чении п о л я р н о сть н а п р яж ен и я на
эл е к т р о д а х т р а н з и ст о р а п р о т и в о п о л о ж н а .
Е сл и к тр а н з и ст о р у не п р и л о ж е н о внеш нее эл е к т р и ч е ск о е поле,
т о на его /^ -«-п ер ех од а х уста н а в л и в а ется с о с т о я н и е терм оди н ам и че
с к о г о р а в н ов еси я , х а р а к т е р и з у ю щ е е ся р а в ен ств ом ди ф ф узион ны х
и др ей ф овы х т о к о в , п р о х о д я щ и х через каж ды й из /з-п -п е р е х о д о в .
П о э т о м у общ и й т о к т р а н зи ст о р а равен н у л ю , а потен циал ьны е
б а р ь ер ы о б о и х р -л -п е р е х о д о в им ею т о д и н а к о в у ю в ы сот у (р и с . 2 .3 ,а).
Е сл и на эл ек т р од ы т р а н з и ст о р а п од а н о внеш нее н а п р я ж ен и е с у к а
зан н ой на р и с. 2 .3 , б п о л я р н о с т ь ю (н ор м а л ь н ое в к л ю ч ен и е), то
потен циал ьны й ба р ье р п р я м о в к л ю ч е н н о го эм и т т е р н о го р -п -п ер ехода сн и ж а е тся , а о б р а т н о в к л ю ч е н н о го к о л л е к т о р н о го р -п -п е р е х о д а
в о зр а ст а е т. П ри этом п р о и сх о д и т и н ж екция д ы р о к и их к он ц ен тр а
ция в б а з о в о й о бл а сти вбл и зи эм и т т е р н о го р -п -п е р е х о д а у вел и ч и
в а ется . В р езу л ь та т е о б р а зо в а в ш е й ся н ер а в н ом ер н ой кон центраци и
Jf
I I
1
J2
j4
Т-------------------Г
Р
П
I
! Р
кh
i ! ”
!
1
'
У,
1
«г 1 /( у х ), т о коэф ф ициен т а ста н о в и тся бо л ь ш е единицы .
Р азличаю т интегральны й коэф ф ициент передачи тока эмиттера
а*, связы ваю щ ий полны е ток и коллектора /к и эмиттера /э , и диф
ференциальный — а, связы ваю щ ий приращения токов h и h'L - l
---------у-
,
_
где /ко — обратный ток кол л екторного
_
—
*
1
г
р -п -перехода.
(2-5)
И з вы раж ений (2-5) ви дн о, что в за в и си м ости о т знака п р о и з в о д
ной да*1д1э дифф еренциальны й коэф ф ициент а м ож ет бы ть бол ьш е
или меньш е и н тегр а л ьн о го коэф ф ициента а * . Н а п р а к ти к е в ряде
сл учаев п р ен ебр ега ю т за в и си м о сть ю а * ( / э ) и сч и та ю т, ч то а = а * .
П ри повы ш ении тем п ер а ту р ы в ы ходн ы е В А Х см е щ а ю тся , как
п ок азан о ш трихам и на р и с. 2 .5 , а, в о б л а ст ь бол ь ш и х т о к о в , что
об у сл ов л е н о возр а ста н и ем тока /«о .
К ривы е сем ей ства в х од н ы х В А Х (р и с. 2 .5 , б), определяем ы е
из за в и си м ости ( 2 - 2 ), о б р а з у ю т пл отны й п у ч о к , что о б ъ я сн я е тся
сл абы м влиянием к о л л е к т о р н о го н а п р я ж ен и я на т о к эм иттера
(в х о д н о й т о к ). П о эт о м у в сп р а в о ч н и к а х о б ы ч н о п р и в од я т од н у
ветвь В А Х , сн я т у ю при t/к = О или U k = — 5 В.
П ри вкл ю чении т р а н зи ст о р а по сх е м е О Э ста ти ч еск и е В А Х о п и
сы в а ю т ся зави си м остя м и
— f (^ к ) |/g=COnst>
— f (^б)| UK=COnSt.
Уравнение для вы ходн ы х В А Х схемы О Э (рис. 2.5, в) м ож но по
лучить из (2-3 ), если заменить ток эмиттера током базы, найден
ным из соотнош ен ия /э = /к - f
/к = /б « / ( 1 Уравнение
(2-6)
а) + /«о / ( 1 -
м ож н о
а) - f {/«/[Гк
привести
к
( 1
-
а)].
( 2 -6 )
виду, аналогичному (2-5),
/к = р /б + /к о + U j r l
(2-7)
где /ко = (Р + 1 ) /ко!
= Гк/(Р + 1 ):
р = а / ( 1 — а) — коэффициент
передачи тока базы.
В ы ходн ы е В А Х сх ем ы О Э имеют бол ьш и й н аклон по ср а в н ен и ю с
В А Х схемы О Б , что о б ъ я сн я е т ся бол ее сил ьны м влиянием к о л л е к то р
н о го н ап ряж ен ия на коэф ф ициент передачи тока базы . П о это й ж е
причи не р езк ое в озр а ста н и е тока кол л ек тор а в п р ед п р обой н ой о б
л асти п р о и сх о д и т при бол ее н и зких к о л л е к то р н ы х н а п р я ж ен и я х ,
чем в сх ем е О Б . С л едова тел ьн о, схем а О Э х а р а к те р и зу е т ся м ень
шим значением пред ел ьн о д о п у с т и м о го к о л л е к т о р н о го н а п р я ж ен и я .
В лияние тем п ератур ы на вы ходн ы е В А Х сх ем ы О Э сказы вается
си л ьн ее, чем на В А Х схем ы О Б , что о б у с л о в л е н о бол ее бы стры м
увеличением ток а / ’ ^ с повы ш ением тем п ер а ту р ы и с о о т в е т с т в у ю
щим возр астан и ем тока к ол л ек тор а (ш тр и х овы е
кривы е
на
р и с. 2 .5 , б)'.
Е сли в ур ав н ен и я х (2-3) и (2-7) п р ен ебр еч ь тр етьи м слагаемы м ,
т о м иним ал ьн ое значени е к о л л е к т о р н о го т о к а / « = /ко п ол уч а ется
при /э = О (для схем ы О Б ) или /б = — /« о (для схем ы О Э ). С ле
до в а тел ьн о, тр а н зи ст ор в сх е м е О Э в отли чие от схем ы О Б у п р а в л я
ется отри ц ател ьн ы м входн ы м т о к о м в ди а п а зон е от О д о — /ко. На
2
5-458
33
п р а к ти к е ч а ст о п р е н е б р е га ю т вторы м и тр етьи м сл агаем ы м и у р а в
нений (2-3) и (2-7) и и сп о л ь з у ю т бол ее п р о ст ы е п р и бл и ж ен н ы е вы
р аж ен и я /к ^ а / э или /к ^ р /б .
В ход н ы е В А Х сх ем ы О Э (р и с. 2 .5 , г) т а к ж е р а сп ол ож ен ы б л и зк о
д р у г о т д р у г а и п о э т о м у в сп р а в о ч н и к а х п р и в од я т т о л ь к о од н у В А Х
дл я U k = О или U k = — 5 В . В отл и ч и е о т сх ем ы О Б в х од н ы е В А Х
сх ем ы О Э бо л е е линейны .
В А Х сх ем ы О К в о м н огом сх о д н ы с В А Х сх ем ы О Э , та к как
в о б е и х сх е м а х входн ы м я в л я ется т о к базы , а вы ходн ы е то к и ( /э
или /к ) отл и ч а ю тся н езн ач и тел ьн о. П о э т о м у в сп р а в о ч н и к а х В А Х
схем ы О К обы ч н о не п р и в о д я т с я . Д л я п р а к ти ч е ск и х р а сч етов в м есто
н и х и сп о л ь з у ю т вы ходн ы е В А Х сх ем ы О Э , зам еняя т о к кол л ек тор а
на т о к эм и ттер а. В ход н ы е В А Х сх ем ы О К со в п а д а ю т п о ф орм е
с входн ы м и В А Х сх ем ы О Э , н о сд в и н у ты по оси н а п р я ж ен и й в п р а в о
на вел и чи н у падения н а п р яж ен и я на к о л л е к т о р н о м р -п -п е р е х о д е .
4. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Д и н ам и чески й — э т о реж им р а боты т р а н з и ст о р а , при к отор ом
в в ы х о д н у ю цепь в к л ю ч ен о н а г р у з о ч н о е с о п р о т и в л е н и е (а к ти вн ое
или к ом п л ек сн ое).
Ig‘ 800MKA
'700
Р и с. 2.6. Динамический режим работы транзистора:
а — схем а О Э: б, в — в х о д н ы е и вы х о д н ы е
ВАХ.
На р и с. 2 .6 , а п ок азан а схем а вкл ю чения т р а н зи ст о р а с общ им
эм и ттером . Т а к как в цепь к ол л ек тор а (в ы х о д н у ю цепь) вклю чен
р ези стор н а гр у зк и R^, т о н а п р я ж ен и е на в ы х од е т р а н зи ст о р а i /кз
ок а зы ва ется меньш им Э Д С источ н и ка питания Ек и я в л я ется ф у н к
цией т ок а к ол л ек то р а
(Укэ = Ек — I tiRii-
(2-8)
Т о к к ол л ек тор а в с в о ю оч ер едь о п р ед ел я ется н е т о л ь к о ток ом
базы , как сл ед ует из уравн ен и я (2 -7 ), н о и за в и си т т а к ж е от н а п р я
ж ения t/кэ;
1к — {Ек
I^k^ / R k-
С л едова тел ьн о, т о к к о л л е к т о р а при наличии н а гр у з к и я вл яется
од н оврем ен н о ф ун к ц и ей т о к а /б и н а п р я ж ен и я [/кэ- У р авн ен и е
(2 - 8 ) со в м е ст н о с ур авн ен и ем (2-7) и сп о л ь з у е тся дл я п остр оен и я
ди н ам и ческ ой В А Х т р а н з и ст о р а , к о т о р о е п р о и зв о д и тся по точкам
сл едую щ и м о б р а з о м . В начале за д а ю тся токам и базы и из уравнения
(2-7) о п р ед ел я ю т с о о т в е т с т в у ю щ и е им значения т о к а к ол л ек тор а .
Затем на сем ей ств е ста ти ч е ск и х в ы х од н ы х В А Х откл а ды ва ю т вел и
чины t/кэ, оп р ед ел я ем ы е из ( 2 - 8 ) при пол уч ен н ы х зн а ч ен и ях тока
к ол л ек тор а . И з о т р е з к о в , равн ы х найденны м значениям [/кэ, в о с
стан авл и ва ю т п ер п ен ди к ул я р ы для пересечен ия с со о т в е т ст в у ю
щими ста ти чески м и В А Х . П ол у ч ен н ы е точ к и пересечен ия л еж ат
на ди н а м и ческ ой В А Х т р а н з и ст о р а , к о т о р а я я в л я е тся нелинейной
в ви ду н ел и н ей н ости ста ти ч е ск о й В А Х . Н а п р а к ти к е д и н а м и ч еск у ю
В А Х п р ед ста вл я ю т в виде п р я м ой , п о стр о е н н о й на сем ей стве ста ти
ч еск и х в ы ход н ы х В А Х т р а н зи ст о р а в со о т в е т ст в и и с уравнением
(2 -8) при /к = О (точ к а а) и Укэ = О (точк а Ь), ка к п о к а за н о на
р и с. 2 .6 , в. О т р е зо к A D P C B н а зы ва ю т н а гр у зо ч н о й п р я м ой или
линией н а г р у з к и . П о л о ж е н и е точ к и Р на линии н а г р у з к и (точка
п о к о я ) за в и си т о т и с х о д н о г о н а п р яж ен и я базы t/бо, к о т о р о е н азы
в а ю т н ап р я ж ен и ем смещ ения (р и с. 2 .6 , б). О б ы ч н о о тсч е т изменений
в х о д н о г о н ап р я ж ен и я п р о и з в о д я т о т н о си т е л ь н о величины [УбоП ри к ом п л ек сн ой н а г р у з к е линия н а г р у з к и имеет ф ор м у эл л и п са ,
к отор ы й при р а сч ета х зам ен я ю т п р я м ой , совп а д а ю щ ей с бол ьш ой
о сь ю эл л и п са.
Д ля п остр оен и я ди н а м и ч еск ой в х о д н о й В А Х оп р ед ел я ю т к о о р
ди наты точ ек пересечен ия линии н а гр у з к и с о стати ч ески м и в ы х о д
ными В А Х , п е р е н о ся т их на ста ти ч еск и е вх од н ы е В А Х и п ол уч ен
ные точ к и соед и н я ю т м еж д у с о б о й (о т р е з о к C ' D ' на р и с. 2 .6 , б).
Н а п р а к ти к е ч а сто в к а ч естве ди н а м и ческ ой в х о д н о й В А Х и сп ол ь
з у ю т од н у из ст а т и ч еск и х в х о д н ы х В А Х при |t/к | > О, ч то о б у с л о в
л ено сл а б о й з а в и си м о сть ю ст а т и ч е ск и х в х о д н ы х В А Х о т к о л л е к т о р
н о г о н ап р я ж ен и я , в р езу л ь та те ч его они о б р а з у ю т д о в о л ь н о плотный
п у ч ок к р и в ы х .
И з пок а зан н ы х на р и с. 2 .6 , б, в п остр оен и й в и дн о, что при
п оя влен и и на в х о д е тр а н зи ст о р а п ер ем ен н ого н а п р яж ен и я U^x из
м ен яется то к базы в п р ед ел а х отр е зк а C D ' ди н ам и ч еск ой в х од н ой
В А Х . Э том у с о о т в е т с т в у ю т изменения к о л л е к то р н ы х ток а и н а п р я
ж ения в п р еделах отр е зк а C D линии н а г р у з к и . В р езу л ь та те п р о и с
х од и т уси л ен и е в х о д н о г о си гн а л а как по т о к у , та к и по н а п р я ж ен и ю .
И з р и с. 2 .6 , б, в сл е д у е т , ч то отн ош ен и е д в ой н ы х ам п литуд в ы х о д
ного и входн ого
н а п р яж ен и й
5 ,6 В : 0 ,0 7 В = 80, а о т н о
ш ение д в ой н ы х ам п ли туд в ы х о д н о го и в х о д н о го т о к о в 24 мА :
: 0 ,4 м А = 60. С л ед ов а тел ьн о, в х од н ой си гн ал усил ен по мош,н ост и в 4800 раз.
В ди н ам и ческ ом р еж и м е т р а н зи ст о р м ож ет р а б о т а т ь в од н ой из
четы рех о б л а ст ей , за в и ся щ и х от п ол я р н ости н ап р яж ен и й на эм иттер н ом и к ол л ек то р н о м р -п -п е р е х о д а х . В о б л а сти отсеч ки (Из <
< 0 ; L^K < 0 ) во в х о д н у ю цепь т р а н з и ст о р а подается си гн а л , о б е с
печиваю щ ий п ол н ое зап и р ан и е п р и б о р а . С о п р оти в л ен и е тр а н зи стор а
в ел и к о и в в ы х од н ой цепи п р о т е к а е т т о к , я в л я ю щ и й ся обратны м
т о к о м эм и т т е р н о го и к о л л е к т о р н о го р -п -п е р е х о д о в . Гран и це о б
ласти отсеч к и со о т в е т с т в у е т точ к а А на линии н а г р у з к и . П ри этом
п р а к ти ч еск и все н а п р я ж ен и е и сто ч н и к а питания п р и л ож ен о меж ду
к о л л е к т о р о м и эм и ттер ом т р а н з и ст о р а , а потен циал базы п о л о ж и
телен по отн ош ен и ю к эм и тте р у и к о л л е к т о р у .
В обл а сти насы щ ения ((У, > О', U k > 0) во в х о д н у ю цепь т р а н
зи ст ор а п од ается си гн а л , обесп еч и в а ю щ и й пол н ое отк р ы в а н и е п р и
б о р а . С оп р оти в л ен и е т р а н з и ст о р а н езн а ч и тел ьн о и вы ходн ой т о к
оп р ед ел я ется вел и чи н ой со п р о т и в л е н и я н а гр у з к и и внеш ним н а п р я
ж ением . Г р ан и ц е обл а сти насы щ ения с о о т в е т с т в у е т точ к а В на л и
нии н а г р у з к и .
А к ти в н а я о б л а ст ь (О э > 0 ; (Уи < 0) яв л я ется см еж н ой п о о т
н ош ен и ю к о бл а сти отсеч к и и н асы щ ен и я . В эт о й обл а сти т р а н з и с
т о р р а бот а ет как линейны й у си л и тел ь в х о д н о г о си гн а л а .
Ч етвер тая об л а ст ь , назы ваем ая ин вер сн ой а к ти вн ой или п р о с т о
и н вер сн ой , х а р а к те р и з у е т ся прямы м вкл ю чением к о л л е к т о р н о го
р - п - п е р е х о д а и обр а тн ы м эм и т т е р н о го (1Уэ < 0 ; (Ук > 0 ).
б. ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА
ОТ РЕЖИМА РАБОТЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ
И зм енен ие реж им а
р а боты
т р а н зи ст о р а (ток а к о л л е к т о р а ,
к о л л е к т о р н о го н а п р я ж ен и я , ч а стоты си гн а л а ) и кол ебан и я тем
п ер атур ы ок р у ж а ю щ е й ср еды о к а зы в а ю т су щ е ст в е н н о е влияни е
на осн ов н ы е парам етры тр а н зи ст о р а (р и с. 2 .7 ).
П о м ер е повы ш ения т о к а эм и ттер а при увеличении эм и тте р н о го
н ап р яж ен и я в озр а ст а е т коэф ф ициен т ин ж екции у из-за сни ж ен ия
вы соты п отен ц и а л ьн ого ба р ьер а эм и т т е р н о го /7-п-п ерехода и у м ен ь
шения кол и ч еств а н оси тел ей за р я д а , р е к о м би н и р у ю щ и х в его
объ ем е. П ри этом , как сл е д у е т из уравнени я (2 -4 ), коэф ф ициент а
увел и чи вается д о н е к о т о р о г о м а к си м а л ьн ого зн ачени я. Д альнейш ее
повы ш ение т ок а эм иттера п р и вод и т к у вел и ч ен и ю кон центраци и
н е осн ов н ы х н оси тел ей за р я д а (д ы р ок ) в б а з о в о й о б л а ст и , что вы зы
вает уменьш ение коэф ф ициента и н ж ек ц и и . В р е зу л ь та т е коэф ф и
циент а сн и ж а ется , т. е . у х у д ш а ю т ся уси л и тел ьн ы е с в о й ст в а тр а н
зи стор а. З а в и си м ость а (/э ) при U«. — co n st
и л л ю стр и р у ется
рис. 2 .7 , а.
При повышении (п о м од у л ю ) к о л л е к т о р н о го н а п р я ж ен и я (/э =
= con st) расш и р яется кол л ек тор н ы й р -п -п е р е х о д , всл ед ств и е чего
г^,Ом
Гк,кОН
/оии
...
150
гf
^
^■
!\ПО
и,Н
о 1200
<
./ ппп оии
Гк Ц97 япп
^2S0h
7S
г
ппе
Ц
ИО 400
-to U
k,B
fk.M m i
-5
"
Гк.ком ikl/Uo
\
-SO
-40
o.f
-20
-20
к.
\
\\
\\
10
1,0
-40
-60
-80
-100
100
f/U
Рис. 2.7, Кривые зависимости параметров транзистора:
а — от
ток а
эм и ттер а
= — 5В);
б — от к ол л ек торн ого
н ап ряж ен ия
(/j^ е= 1 м А );
в— от
т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й с р е д ы ; з — о т ч а с то т ы сигнала.
ш ирина б а зов ой об л а сти у м ен ьш а ется . Т а к о е явл ен и е н азы ваю т
эффектом Эрли или эф ф ектом м од ул яц и и ш ирины б а зо в о й обл а сти .
П ри этом в е р о я т н о с т ь реком би н ац и и н оси тел ей зар яда в ба зовой
обл асти сн и ж а ется и со о т в е т ст в е н н о увел и чи вается коэф ф ициент к.
О д н овр ем ен н о с р ост о м |t/к \ повы ш ается р ол ь эф ф екта ударной
ионизации, что вы зы вает увели чение коэф ф ициента М . В р езу л ь
тате в озр а ста ет коэф ф ициент а (р и с. 2 .7 , б ).
З а в и си м ост ь коэф ф ициента а от тем п ер а ту р ы показана на
р и с. 2 .7 , в. В о бл а сти п ол ож и тел ьн ы х тем п ера ту р коэффициент
о увел и чи вается, а в обл а сти отр и ц а тел ьн ы х — сн и ж а е тся . Это
о б у сл о в л е н о возр а ста н и ем времени ж изни н оси тел ей заряда при по
выш ении тем п ер атур ы (с повы ш ением тем п ер а ту р ы увеличивается
эн ер ги я н оси тел ей зар яда и сн и ж а ется в е р о я т н о ст ь и х р еком би н а
ции, в р езу л ь та те ч его время ж изни в о зр а ст а е т).
В лияние ча стоты у си л и в а ем ого си гн а л а на коэ(|х})ициент а о б ъ я с
ня ется запазды ванием изменения ток а к о л л е к то р а от изменения
тока эм и ттер а за п р о м е ж у т о к времени
в течен и е к о т о р о г о и н ж ек
ти р ован н ы е н оси тел и за р я д а , пер ем ещ аясь в б а зо в о й о б л а ст и , до
ст и га ю т к о л л е к т о р н о го п ер е х о д а : т ,
ю^/( 2 £ )), где w — ш ирина
б а з о в о й о б л а ст и . З а в и си м о сть коэф ф ициента передачи т о к а эм ит
тера о т ч а стоты о п р ед ел я ется уравнени ем
d = ао/(1 4 - /u)/u)a),
где ад — коэф ф ициент передачи
= 1 /та = 2 тс/„; fa — предельная
(2-9)
тока эмиттера при / = О, Ша =
частота
коэффициента передачи
тока эм иттера, на котор ой [d j снил!ема ОБ
Лцб
*+
2,5 X 1 0 -*
^116^226
■,
‘
"216
^
ft,2g
2 5 X 1 0 - е См
Лпэ
^21э
•+
— 0,98
0 ,4 9 X 1 0 - “ См
*21э
^116
^11э
^2K
*“
^12э
-(1
я
1
а
1
^1к
+ Л 2 ,э )
^
"l2 «
^11к*22к
■
” 21к
—а
^22к
1
^21к
и
1100 Ом
г Jб +
Я 1
1_
1
1
— 51
1— а
25 X 1 0 -« См
1
1 + ftjio
■ + *21к
*21э
1+^20
*
'+ '* 2 1 к
1 + /'216
^22э
^э + ( 1 - « )
(1 -а )
^226
^22к
! — а
1 + /1216
I
^ 2,к
а)
^21к
'''21Э
^22э
^226
/г21к)
^21к
2.9 X 1 0 -^
а
^22к
2 1 ,6 Ом
,
’ +
(1 -
^226
1+^213
^216
1_
а
^21э
*11э^22э
^126
^12к
— (1 +
> + ''2 1 6
*+
'^б +
"э
*~
* + '*216
-^116
г +
^Пк
'*216
^216
50
^22э
Физические
параметры
схема ОК
~^21б
^21к
0,98
а
П а р а м е т р ы ч е ты р е хп о л ю сн и к а
Сим-
ВОЛ
схем а ОБ
схем а ОЭ
*+
'■к
1
^21э
*21к
’ ~
^^\2э
^116
^22э
"б
X
(1
+
h
( Ч “ ^21б^
'*226
^1 Оа
^ 126
"2 2 э
*226
/1 2 ,э)
Ф и зическ ие
п арам етры
2,04 МОм
*22к
^*226
^22э
''э
схем а ОК
* 12к
10 Ом
*22к
''П к + ^ - ^ Х
590 Ом
"2 2 к
Х ( 1 + Й ,2 к )
Рнс. 2.8. Кривые типичных
зависимостей
Л-параметров
транзистора!
а — о т т о к а э м и тт е р а ; б — о т к о л
л е к т о р н о го напряж ения;
в — от
т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й ср е д ы .
’
Таблица 2.2
Тип т р а н
зи ст о р а
Струк
тура
Г Т 108А -Г
ГТ109А-И
ГТ115Г
ГТЗЮ А-Д
Г Т 308А -Г
Г Т309А -Е
Г Т З П А -И
ГТ313А -Б
ГТ320А -В
ГТ321А -Е
ГТ322А-Е
ГТ329Б
К Т 301А -Ж
К Т312А -В
К Т315А -И
2Т 317А -В
2Т318А -Е
КТ326Б
КТЗЗЗА-Е
К Т348А-Е
К Т 3 7 9 А -Г
Г Т 402А -Б
ГТ403Л -Ю
К Т602А -Б
К Т603Л -Е
КТ604Б
К Т605А -Б
КТ608
ГТ701А
ГТ703Б
2Т 704А -Б
Г Т804А -В
ГТ806Б
КТ801А -Б
К Т802А
К Т803А
К Т805А
КТ807А -Б
2Т808А
К Т809А
1Т901А-Б
ГТ905А -Б
Г Т 906А -Б
КТ902А
К Т903А-Б
р -п -р
р -п -р
р -п -р
р -п -р
р -п -р
р -п -р
п- р-п
р -п -р
р -п -р
р -п -р
р -п -р
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
р -п -р
р -п -р
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п р-п
п -р -п
р -п -р
р -п -р
п-р -п
р- п -р
р -п -р
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
п -р -п
р -п -р
р -п -р
р -п -р
п -р -п
п -р -п
т е п л о о т в о д а , в знам ен ател е — с т е п л о
отводом .
к о т о р ы е обл а д а ю т ср а в н и те л ь н о н ебол ьш и м и значениями ем к ости
и и н д у к ти вн ости со о т в е т с т в е н н о . В п а сп ор тн ы х дан ны х т р а н з и ст о
р ов о б ы ч н о п р и в од я т значения /j-п а р а м етр ов, изм ерен ны х на ч а с
тот е 1 кГ ц .
М еж д у ха р а к тер и сти ч еск и м и парам етрам и р а зн ы х сх ем в к л ю
чения и ф изическим и парам етрам и тр а н зи ст о р а су щ е с т в у е т о д н о
значная с в я з ь , оп ределяем ая соотн ош ен и я м и , приведенны ми в
та бл . 2 .1 . В эт о й та бл и ц е в к а ч еств е прим ера даны числ енны е зна
чения х а р а к тер и ст и ч е ск и х и ф и зи ческ и х п а рам етров м аломош ,ного
т р а н з и ст о р а при / э = 1,3 мА . Т ак как нап равл ени я т о к о в в четы
р е х п о л ю сн и к е и в сх е м а х вклю чения т р а н з и ст о р о в (р и с. 2 .4 ) не
сов п а д а ю т, т о м а тем ати чески е величины коэф ф ициен тов передачи
ток а (/i 2 i 6 и /ijik) для схем О Б и О К им еют отр и ц а тел ьн ы е значени я,
хотя э т о п р оти в о р е ч и т их ф и зи ч еск ом у см ы сл у .
С и стем а /i-п а р ам етр ов ш и р о к о п ри м ен яется при р асчете т р а н з и с
тор н ы х у ст р о й ст в пром ы ш лен ной эл е к т р о н и к и . О д н а к о она о б л а
дает н ед оста тк ом — су щ е ств е н н о й за в и си м о сть ю х а р а к т е р и ст и ч е
ск и х п а р а м етр ов от реж им а р а боты тр а н зи ст о р а и тем п ер а ту р ы
о к р у ж а ю щ е й ср еды (р и с. 2 .8 ). Н а гр аф и к ах р и с. 2 .8 , а , б за еди
ницу п р и н я то значени е к а ж д о г о х а р а к т е р и ст и ч е ск о го парам етра
при /э = 1 м А и [/к = — 5 В , а на гр аф и к ах р и с. 2 .8 , в — при тем
п е р а ту р е Т = 25° С (1з = 1 м А , и к = — 6 В ).
Т ипичны е парам етры ряда в ы п уск а ем ы х т р а н з и ст о р о в приведены
в т а б л . 2 .2 .
7. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРОВ
Э л ек тр и ч еск и е св о й ст в а т р а н зи ст о р а м о ж н о о п и са ть с п ом ощ ью
эк вивален тн ы х сх ем , п р ед ста в л я ю щ и х с о б о й эл ек тр и ч еск и е цепи
с ди скретн ы м и р ези стор а м и , к он д ен са тор а м и , источни кам и тока
и ЭД С. Э кви вал ентн ы е сх ем ы м о ж н о р а здел и ть на две г р у п п ц :
схем ы замещ ения и м од ел и р у ю щ и е (м одели т р а н з и ст о р о в ).
Схемы зам ещ ения б а з и р у ю т ся на у р а в н е н и я х л и н е й н о го а к т и в
н о го ч еты р ех п ол ю сн и к а и с о с т о я т из четы рех эл ем ен тов (п о ч и сл у
х а р а к тер и сти ч еск и х п а р а м етр ов си стем ы у р а в н ен и й ). С хем ы за
мещения им еют Т - или П -о б р а з н у ю к он ф и гу р а ц и ю с одним или
двумя зависим ы м и ген ератор ам и ток а или Э Д С.
Н а р и с. 2 .9 п ок азан а схем а замещ ения т р а н зи ст о р а для си стем ы
/{-п ар ам етр ов. Н а парам етры эл ем ен тов сх ем ы замещ ения ан а л о
гично ха р а к тер и сти ч еск и м парам етрам в л и я ю т схем а вкл ю чения
тр а н зи стор а , реж им р а боты и т ем п ер а ту р а о к р у ж а ю щ е й среды .
Д остои н ств ам и сх ем замещ ения я в л я ю тся их п р о ст о т а и в о з м о ж
н ость н е п оср ед ст в е н н о го и зм ере
■I? +
ния п ар а м етр ов эл ем ен тов схем ,
н ед остатк ом яв л я ется т о , что они
не о т р а ж а ю т ф и зи ч еск и х п р о ц е с
со в , п р ох од я щ и х в т р а н зи ст о р е .
■0 ~
М о д е л и р у ю щ и е схемы с о с т а в л я
ю тся на о сн о в е анализа у р а в н е
Рис. 2.9. Схема замещения тран
зистора.
ний,
оп и сы ва ю щ и х
ф и зи ч еск и е
п р оц ессы в т р а н з и ст о р е . Они д о л ж
ны со д е р ж а ть м и н им ал ьн ое к о л и ч е ст в о эл ем ен тов ; п арам етры их
эл ем ен тов д ол ж н ы и зм ер я ться д о ст а т о ч н о п р о ст о ; анал итические
зави си м ости п ар а м етр ов эл ем ен тов о т т ем п ер а ту р ы и реж им а р а
боты д ол ж н ы бы ть п росты м и и удобн ы м и для р а сч е т о в ; сх е м ы д о л
ж ны отр а ж а т ь ф и зи ч еск и е п р о ц е ссы , п р о и сх о д я щ и е в т р а н зи ст о р е .
П арам етры эл ем ен тов м о д е л и р у ю щ и х сх е м п р и б л и ж е н н ы е , ч то о б у
сл ов л ен о сл о ж н о ст ь ю и сх о д н ы х м а тем а ти ч ески х ур а вн ен и й и п р оти Е ср еч и в остью тр ебов а н и й , п р ед ъ явл яем ы х к м од ел я м . М одел и тр а н
зи стор а б а з и р у ю тся на м а тем ати ч еской м одели, в к о т о р у ю на р а з
личны х
этап ах р а зр а б о т к и в в о д я т оп р еделен н ы е п р и бл и ж ен и я .
М а л оси гн ал ьн ы е модели т р а н з и ст о р а п р и м ен яю тся для анализа
р аботы тр а н з и сто р н ы х у с т р о й с т в при м алы х в х о д н ы х си гн а л а х .
На р и с. 2 .1 0 , а, б п ок азан ы м а л оси гн а л ьн ы е м одели для д в у х схем
вкл ю чения тр а н з и ст о р а (О Э и О Б ). П р и и сп ол ьзов а н и и тр а н зи ст о р а
для п р еобр а зов а н и я н и зк о ч а ст о т н ы х си гн а л о в из м оделей м о ж н о
и ск л ю ч и ть к он д ен са то р ы Ск, Ск и Сэ.
К л а сси ч еск а я м одель Э б е р с а — М ол л а дл я и д е а л ьн о го т р а н зи с
тор а (р и с. 2 . 1 0 , в) осн ов а н а на су п е р п о зи ц и и н о р м а л ь н о го и и н вер с
н о г о р еж им ов р а боты т р а н з и ст о р а . И з р и су н к а в и дн о, что р-пп ереходы п р едставл ен ы в виде д и о д о в , а и х взаи м од ей ств и е учтен о
ген ератор ам и т о к о в . В ы раж ен и я для т о к о в I i и 1^, и н ж ек ти р уем ы х
ди одам и , м ож н о п ол у ч и ть из ур авн ен и й Э бе р са — М олла
/з
=
/к =
а п
a^i
-
(e^^э/n—
1)
Ч -
1) +
45
a ia
G 22
-
1 );
1 ),
Cj
5
С/(
Н Н
J l'r ,
«н :
Ь - 0 л- з«> -^
,Л 1
о—
1 - -0 /r
ли
J
^>1-<
ГЙЬ
li-m )
Uk
ссГ,
Г{
к
к т и в н о запираем ы е т и р и ст о р ы отл и ч а ю тся бол ьш ей п л ощ адью у п р а в
л я ю щ е го эл ек тр од а (р и с. 3 .1 0 , а). П р о ц е сс вкл ю чен и я за п и р а ем ого
т и р и сто р а аналогичен вкл ю чен и ю о б ы ч н о го т и р и ст о р а , вы клю чение
о б у сл о в л е н о тем , ч то при подаче от р и ц а т ел ь н о го и мпульса у п р а в л е
ния сн и ж а ю т ся коэф ф ициенты передачи т о к а , в р езу л ь та те чего
п ер естает вы п ол н я ться у сл о в и е a j - f Oj > 1 и п р и б ор в ы к л ю ч а е :ся .
П р и м ен я я запи раем ы е ти р и ст о р ы , м о ж н о у п р о с т и т ь систем ы
п р е о б р а з о в а н и я т о к а , та к ка к при этом не т р е б у ю т с я спец иал ьн ы е
ср ед ств а и ск у сств е н н о й к ом м ута ц и и для вы клю чения т и р и ст о р о в .
О д н а к о их и сп ол ьзов а н и е о гр а н и ч ен о малым коэф ф ициентом у с и
ления при в ы к л ю чен и и
K s =
/ а / / 'у ~ \
где /у~’ — отрицательны й ток управления.
К р ом е т о г о , при пр я м ы х т о к а х , бо л ь ш и х к р и т и ч е ск о го значения
/а. кр (р и с. 3 .1 0 , б ), коэф ф ициент Кв падает д о н у л я . Э то о б ъ я с н я
ется возр а ста н и ем (при увели чении п р я м о го т о к а ) падения н а п р я
ж ения на п р од ол ьн ом соп р оти в л ен и и обл а сти ба зы , п р е п я тств у ю -
h.Kp
h
а — сх е м а т и ч е ск о е у с т р о й с т в о ; б — граф ик за ви си м о сти коэф ф и ц и ен та
пирания о т т о к а .
за
Рис. 3.10. Запираемый
тиристор:
щ его п р о х о ж д е н и ю ток а у п р а в л ен и я . В р е зу л ь та т е в о б л а с т я х ти
р и ст ор а , удал енны х от у п р а в л я ю щ е го эл е к т р о д а , вы к л ю чен и е не
п р о и сх о д и т .
Т иристоры с повы ш енны м бы стр од ей ств и ем — п р и б ор ы , пред
назначенны е для прим енения в у с т р о й с т в а х п овы ш ен н ой и в ы со к о й
ч астоты , к от ор ы е д ол ж н ы о бл а д а ть ул учш енны м и динам ическим и
парам етрам и (/вкл, 4 ыкл,
diV dO -О д н а к о созд а н и е у н и в е р са л ь
ны х п р и б о р о в , у к о т о р ы х бы ли бы ул учш ен ы ди н ам и ч еск и е п ар а
метры при сох р а н ен и и у д ов л етв ор и тел ь н ы х ста ти ч е ск и х парам ет
ров, за тр у д н и тел ьн о. П о э т о м у р а зр а бота н ы гр у п п ы сп ец и ал и зи
р ова н н ы х т и р и ст о р о в , у к о т о р ы х ул уч ш ен а ч асть ди н ам и ческ и х
п а р а м етр ов. К ним о т н о ся тся в ы со к о ч а сто тн ы е т и р и ст о р ы (Т Ч ),
им п ул ьсн ы е (Т И ), ди н ам и ческ и е (Т Д ) и б ы ст р о д е й ст в у ю щ и е (Т Б ).
Д и н ам и чески е парам етры у л уч ш а ю тся путем прим енения оп ти
мальной к он стр у к ц и и и те х н о л о ги и и зготовл ен и я т и р и ст о р о в . Д ля
пол учения м алы х времен вкл ю чения ум ен ьш аю т тол щ и н у ба зо в ы х
обл а стей и увел и чи ва ю т время ж изни н еосн ов н ы х н оси тел ей за р яда .
Д ля уменьш ения времени вы клю чения н е о б х о д и м о ум ен ьш ать время
ж изни н еосн ов н ы х носи тел ей зар яда и ум ен ьш ать толщ ины ба зо в ы х
обл а стей . У л учш ен и ю ди н а м и ч еск и х п ар ам етр ов с п о с о б с т в у е т та к ж е
увели чение площ ади управляю щ его эл ек тр од а и д р у ги е сп ец и а л ь
ны е м еры .
В та бл . 3 .2 приведены н е к о т о р ы е парам етры о сн о в н ы х ти п о в т и
р и сто р о в .
Глава
4
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
1. КЛ АССИФИ КАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫ Х
И ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
СХЕМ
Т ермин м и к р оэл е к тр о н и к а о тр а ж а е т со в р е м ен н у ю тенденцию
создани я эл ек тр он н о й а п п а р а ту р ы : м и к р ом и н и а тю р и за ц и ю и инте
грацию — у п л отн ен и е к ом п он ов к и м он та ж а за сч ет объ единени я
ф ункций эл ем ен тов и у з л о в в одн ом тв ер д ом теле. М и к р о м и н и а тю
ризация д о ст и га е тся путем п р ед ел ьн ого ум еньш ения м а ссо га ба р и ткы х п ок аза тел ей эл ем ен тов эл е к т р о н н ы х у с т р о й с т в и п отр ебл я ем ой
ими м ощ н ости . М и к ром и н и а тю р и за ц и я п од р а зд ел я ется на д и ск р е т
н ую и и н тегр а л ьн у ю .
Д и ск р етн а я м и кр ом и н и а тю р и за ц и я не реш ает «п р обл ем ы к о л и
чества» (п р обл ем ы уменьш ения б о л ь ш о г о числа эл ем ен тов ) и я в л я
ется п ер еход ящ и м явлением , к о т о р о е у ст у п а е т м есто и н тегральн ой
м и кр ом и н и атю р и зац и и , о су щ е ст в л я е м о й путем прим енения ин те
гр ал ьн ы х сх ем и целы х ф ун к ц и он а л ьн ы х у с т р о й с т в , к о т о р ы е п о з в о
л яю т п р ои зв од и ть ин теграц и ю и м и к р ом и н и а тю р и за ц и ю эл е к т р о н
ных у ст р о й ст в не за сч ет л у ч ш е го ф и зи ч е ск ого в осп р ои зв ед ен и я
м етодов к л а сси ч еск о й с х е м о т е х н и к и , а за сч ет созда н и я п р и б о р о в
с л окал ьн ы м и ф изическим и ср еда м и , в ы п ол н я ю щ и м и н ео б х о д и м ы е
ф ункции п р ощ е и н а д еж н ее на о сн о в е ф и зи ч еск и х св о й ст в т в е р д о го
тела.
П од и н тегр а л ьн ой сх е м о й (И С) п од р а зу м ев а ется у с т р о й ст в о ,
создаваем ое единым т е х н о л о ги ч е ск и м ци кл ом и со ст о я щ е е из эл е к
трически св я за н н ы х м еж ду со б о й к ом п он ен тов, вы п ол н я ю щ и х
ф ункции т р а н з и ст о р о в , д и о д о в , р е зи ст о р о в и к он д е н са то р о в , о б ъ
единенны х на общ ей п од л ож к е и закл ю чен н ы х в общ ий к о р п у с.
Т ех н ол оги ч еск и м при зн аком ин тегральн ы х схем я вл яется о д н о в р е
менное созд а н и е в се х или части к ом п он ен тов и м еж ком п он ен тн ы х
св я зей на одн ом и том ж е о б о р у д о в а н и и . К л асси ф и кац и я и н тегр а л ь
ны х сх е м показана на р и с. 4 .1 .
Одним из гл авн ы х п р и зн а к ов кл ассиф икации ин тегральн ы х
сх ем явл я ется тип п од л ож к и . Р а зл и ч а ю т активн ы е и пасси вн ы е
п од л ож к и . У первы х (обы ч н о э т о п о л у п р ов о д н и к о в ы е м атериалы )
часть или все ком пон ен ты в ы п ол н я ю тся вн у тр и п о д л ож к и . П ри
Рис. 4.2. Основные направления развития микроэлектроники и
конструктивно-технологическая классификация интегральных схем.
этом д ости га ет ся бол ьш а я степ ен ь ин тегр ац и и , н о огр а н и ч и ва ется
ди ап азон ном инал ьны х значени й ком п он ен тов и их и зол я ц и я .
У втор ы х (обы ч н о э т о ди эл ек тр и ч еск и й м атериал ) ком понен ты р а з
м ещ аю тся на п о в е р х н о ст и п о д л о ж к и . В эт о м сл у ч а е д о сти га е тся
изоляция ком п он ен тов и в о з м о ж н о с т ь ва р ьи р ов а н и я их пар ам етр ов.
К он стр у к т и в н о -т е х н о л о ги ч е ск а я кл асси ф и к ац и я ин тегральн ы х схем
показана на р и с. 4 .2 .
П о л у п р ов од н и к ов ы е и н тегральн ы е (тверды е) схем ы в ы п ол н я
ю тся на одн ой или н е ск о л ь к и х м он ок р и ста л л и ч еск и х пл а сти н к а х.
П ервы е назы ваю т м онолитны м и ин тегральн ы м и схем ам и , в тор ы е —
м н огокр и стал ьн ы м и .
П осл едн и е п озв ол я ю т и сп о л ь зо в а ть различны е п о л у п р о в о д н и
ковы е м атериалы и таким об р а зо м оп ти м и зи р ов а ть эл е к т р и ч е ск и е
х ар а к тер и сти к и отдел ьн ы х ком п он ен тов.
К тверды м интегральны м схем ам о т н о ся т ся та к ж е сх ем ы на с а п
ф и р ов ой п од л ож к е и ба л оч н ы е. П ервы е о т н о ся тся к т и п у эп и т а к
сиальны х и ха р а к т е р и зу ю тся тем, ч то их ком п он ен ты созд а ю тся
внутри м он ок р и ста л л и ч е ск о го п о л у п р о в о д н и к о в о го с л о я . В ба л о ч
ны х и н тегр ал ьн ы х сх е м а х в качестве м еж ком п он ен тн ы х соед и н е
ний и м ехан и ческой осн о в ы и сп о л ь зу ю т ся м етал ли ческие ба л ки .
В ги бри дн о-п л ен оч н ы х и н тегральн ы х сх е м а х прим еняю тся п а с
сивны е п од л ож к и , на к о т о р ы х м он ти р у ю тся б е ск о р п у сн ы е а к ти в
ные элементы или кр и стал л ы м он олитн ы х и н тегр ал ьн ы х сх ем ,
а в качестве п а сси вн ы х эл ем ен тов и м еж ком п он ен тн ы х св я зей ис
п ол ьзу ю тся тол сты е пл енки. С хем ы п е р в о го типа имеют в ы со к о е
качество п асси вн ы х ком п он ен тов, а в т о р о г о — отл и ч аю тся п р о с т о
той т ех н ол оги и , но им еют м ал ую степ ен ь ин теграции.
В тон к оп л ен о ч н ы х и н тегр ал ьн ы х сх ем а х активн ы е и па сси вн ы е
ком понен ты и згота вл и в а ю тся путем нанесения т о н к и х д и эл е к т р и
ч ески х и р ези сти вн ы х пленок на одн ой п од л ож к е. Т аки е схем ы о б
ладаю т наивы сш ей интеграцией, н о пока не им ею т ш и р о к о го прим е
нения из-за тр у д н ост и п ол учения пленочны х активн ы х элем ен тов
с хор ош и м и эл ектри ческ и м и парам етрам и.
В совм ещ ен н ы х ин тегральн ы х сх е м а х активн ы е элем енты с о з д а
ю тся на о сн о в е м он ок р и ст а л л и ч е ск о го п о л у п р о в од н и к а , а п а сси в
ные н ап ы л яю тся в виде то н к и х пл енок на ту ж е п л а сти н к у . Д о с т о
ин ство та к и х и н тегр ал ьн ы х схем — вы сок ая степ ен ь интеграции
при сох р а н ен и и х о р о ш и х качеств соста в н ы х к ом п он ен тов.
В у ст р о й ст в а х вы числ ител ьной тех н и к и , в к а ч естве за п ом и н а ю
щ и х эл ем ен тов, ш и р ок о прим еняю тся м агнитны е пленки. Т аки е
элементы обл а д а ю т вы сок и м б ы стр одей ств и ем .
В кр и оген н ы х сх ем а х и сп о л ь з у ю т явл ения св е р х п р о в о д и м о ст и
при тем п ер а ту р а х , бл и зк и х к а б со л ю т н о м у н у л ю . П л ен оч н ы е к р и о
тр он ы п р ед ста вл я ю т с о б о й идеальны е м и к р оэл ек тр он н ы е п ер ек л ю
чатели , им ею щ ие в ы сок и й коэф ф ициен т уси л ен и я и м а л у ю м ощ н ость
р а ссея н и я . К р и о т р о н ы п р и м ен яю тся в за п ом и н а ю щ и х у ст р о й ст в а х
с п р ои звол ьн ой в ы б о р к о й инф орм ации. Т а к и е у ст р о й ст в а о б л а д а ю т
х ор ош ей п о м е х о у сто й ч и в о ст ь ю .
П о степени и н теграции к ом п он ен тов ин тегр ал ьн ы е сх ем ы к л а с
си ф и ц и р у ю т на м и к р осх ем ы с малой (М И С ), средн ей (СИ С) и б о л ь ш о й
(Б И С ) степ ен ью интеграции.
П о х а р а к т ер у вы п ол н я ем ы х ф ун к ц и й И С д е л я тся на ц и ф ровы е
(д и скр етн ы е) и линейны е (а н а л огов ы е). Ц иф ровы е элем енты и сп о л ь
з у ю т ся для вы полнен ия р азл и ч н ы х л о ги ч е ск и х оп ер а ц и й , в у с т р о й
ст в а х об р а б о т к и , хранени я и передачи ин ф орм ации. Л и нейны е
элем енты в ы п ол н я ю т ф ункции у си л е н и я си г н а л о в , п р и м ен я ю тся
в качестве ген ер а т о р о в , ф и л ьтр ов , д е т е к т о р о в и д р .
П о т и п у к ом п он ен тов, и сп о л ьзу е м ы х для вы п ол н ен и я л о ги ч е
ск и х оп ер ац и й , р азл и ч аю т ИС с т р а н зи ст о р н о й л о г и к о й и н е п о с р е д
ствен н ой с в я з ь ю (Т Л Н С ), тр а н з и ст о р н о й л о ги к о й и рези сти вн ой
св я з ь ю (Р Т Л ), тр а н зи ст о р н о й л о ги к о й и р е з и ст и в н о -е м к о ст н о й
с в я з ь ю (Р Е Т Л ), д и од н о -т р а н зи ст о р н о й л о ги к о й (Д Т Л ), т р а н з и с т о р
н о-тр а н зи стор н ой л оги к о й (Т Т Л ), тр а н зи ст о р н о й л о ги к о й и эм и т т е р н ой св я з ь ю (Т Л Э С ).
П о виду си гн а л ов на в х о д а х и в ы х о д а х циф ровы е ИС д е л я т ся
на им п ул ьсн ы е, потен циал ьны е и п отен ц и а л ьн о-и м п у л ьсн ы е. Н а и
бол ьш ее р а сп р остр а н ен и е им ею т потен циальны е И С.
П о бы стр од ей ств и ю ИС п од р а зд ел я ю т на с в е р х б ы с т р о д е й с т в у ю
щ и е (за дер ж ка си гн ал а 5 не), бы ст р о д е й ст в у ю щ и е (5 — 10 н е), ср е д
н его бы стр од ей ств и я (10— 50 не) и м ед л ен н одей ствую щ и е (50 не).
К осн ов н ы м парам етрам ц и ф ровы х И С о т н о с я т с я :
коэф ф ициент объединени я по в х о д у М , ука зы ва ю щ и й ч и сл о в х о
д о в элемента И С;
коэф ф ициент р азветвл ен и я по в ы х о д у N , указы ваю щ и й на
с к о л ь к о в х о д о в л о ги ч е ск и х эл ем ен тов м ож ет бы ть н а гр у ж ен в ы ход
д а н н о го элем ента;
время задерж ки р а сп р остр а н ен и я си гн ал а, х а р а к тер и зу ю щ ее
бы стр од ей ств и е эл ем ен тов;
п о м е х о у сто й ч и в о ст ь , х а р а к т е р и зу ю щ а я с п о с о б н о с т ь И С не изме
н я ть со ст о я н и е эл ем ен тов при д ей стви и си гн а л ов п ом ех и , к о т о р ы е
м о г у т в озн и к н у ть всл ед ств и е п у л ьса ц и й н а п р яж ен и я пи тан ия,
а та к ж е в р езу л ь та те дей стви я п ар ази тн ы х ем к остей и и н д у к т и в
н остей или внеш них эл ек тр ом а гн и тн ы х полей;
н а п р яж ен и е источни ка питания;
м ощ н ость р а ссея н и я эл ем ен тов И С;
вы ходн ы е н а п р я ж ен и я , со о т в е т ст в у ю щ и е л о ги ч е ск о й единице
и л оги ч еск ом у н у л ю ;
п ор ог переклю чения схем ы ;
ди апазон р а боч и х тем п ер а ту р ;
время нар астан и я и спада ф рон та в ы х о д н о г о си гн а л а .
П ар а м етр ы л о ги ч е ск и х И С оп р е д е л я ю т ся из ст а т и ч е ск и х и п ере
ходн ы х Х а р актер и сти к.
Л и нейны е И С оп и сы в а ю тся бол ьш и м ч и сл ом п а р а м етр ов , п о
с к о л ь к у разли чны е типы уси л и тел ей , м у л ь т и в и б р а т о р о в , ф и л ьтр ов
х а р а к тер и зу ю тся различны ми парам етрам и.
2. АКТИВНЫЕ ЭЛРМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫ Х СХЕМ
Т р а н зи стор ы м и к р о эл е к т р о н н ы х у ст р о й ст в д ел я тся на три типа:
м иниатю рны е к ор п у сн ы е , прим еняем ы е в м и к р ом од у л ьн ы х сх е м а х ,
бс'ск ор п усн ы е, прим еняем ы е в ги бр и д н о-п л ен оч н ы х с х е м а х , и т р а н
зи стор ы м он ол и тн ы х и н тегр ал ьн ы х сх ем , прим еняем ы е в п о л у п р о
водн и ковы х и совм ещ ен н ы х сх е м а х . Н а и бол ьш ее р а сп р остр а н ен и е
в ги бр и д н о-п л ен оч н ы х сх е м а х им ею т планарны е крем н иевы е и ге р
маниевые тр а н зи ст ор ы , к о т о р ы е по св ои м х а р а к тер и сти к а м п р а к ти
чески не отл и ча ю тся от обы ч н ы х . М он ол и тн ы е ж е ин тегральн ы е т р а н
зи стор ы им еют н ек отор ы е к о н ст р у к т и в н ы е о с о б е н н о с т и , вл и яю щ и е
и б е з уч ета п а р а з и т н о г о p -fj-p -тр и н зи стор а.
на их эл ек тр и ч еск и е х а р а к т е р и ст и к и . О б ы ч н о зд е сь и сп о л ь зу ю т ся
дрейф овы е т р а н зи ст ор ы типа п -р -п , к о т о р ы е им ею т л уч ш и е эл е к т р и
ч ески е парам етры , чем т р а н зи ст о р ы типа р -п -р .
П о с п о с о б у и зол яци и от п од л ож к и р азл и ч аю т тр а н зи стор ы ,
и зол и р ован н ы е п ер ех од ом или д и эл е к т р и ч е ск о й пл ен к ой . Т р а н з и с
т ор ы , и зол и р ова н н ы е п ер ех од ом , я в л я ю тся бип ол я р н ы м и и имеют
ч еты р ех сл ой н у ю /г -р -п -/?-стр у к т у р у (р и с. 4 .3 , а ). З д есь м ож н о вы
дел и ть осн ов н ой тр а н з и ст о р п-р-п-типа Т1 \\ п аразитны й р -п -р -т и п а
Т 2, причем эм иттерны м п ер ех од ом п а р а зи т н о го т р а н з и ст о р а я в л я
ется кол л ек тор н ы й п е р е х о д о с н о в н о г о . К ол л ек тор н ы м п ер ех од ом
п а р а зи тн ого тр а н зи ст о р а я в л я ется и зол и р у ю щ и й п е р е х о д , котор ы й
с п ом ощ ью сп ец и а л ь н о го эл е к тр о д а всегд а смещ ен в об р а тн ом на
правлении (р и с. 4 .3 , б).
В активн ом р еж и м е о с н о в н о г о тр а н зи ст о р а паразитны й работает
в реж им е отсеч к и . В р еж им е ж е насы щ ения о с н о в н о г о тр а н зи стор а
паразитны й р а бота ет в а кти вн ом р еж и м е и м ож ет вл и ять на в х од
ные и вы ходн ы е х а р а к те р и сти к и о с н о в н о г о . К оэф ф ициент пере/;ьчи
т о к а о бл а сти к о л л е к т о р — п од л ож к а т а к о г о т р а н зи ст о р а н езн ач 1 !!елен (а „
0 , 0 1 ) и п о эт о м у е го м о ж н о р а ссм а тр и в а ть
как д и ск р ет
ный т р а н зи стор п-р-п-т япа, к к о л л е к т о р у к о т о р о г о п од кл ю ч (и а
паразитная ем к ость и з о л и р у ю щ е го пер еход а
(р и с. 4 .3 , в).
В тр а н з и ст о р а х с д и эл е к т р и ч е ск о й и зол яц и ей п од л ож к а ока зы
вает м еньш ее вл и ян и е на р а б о т у о с н о в н о г о т р а н зи ст о р а , и И С на
н и х п р ак ти чески не отл и ч аю тся от ан ал оги чн ы х сх е м с д и ск р ет
ными элем ен там и. П ри р асч ете п ер ех од н ы х х а р а к т е р и ст и к инте
гр ал ьн ы х т р а н з и с т о р о в и с п о л ь з у ю т обы чн ы е п арам етры т р а н зи сто р а
в кл ю чевом реж им е.
В и н тегр а л ьн ы х сх е м а х п р и м ен яю тся та к ж е у н и п о л я р н ы е пол е
вые т р а н зи ст ор ы ди ф ф узион ны е и М О П -т р а н зи ст о р ы , в к о т о р ы х ис
п о л ь з у ю т ся н оси тел и за р я д а т о л ь к о о д н о го зн а ка . П ер вы е имеют
н и зк и й у р о в е н ь ш у м ов и устой ч и вы к в озд е й ств и ю я д ер н ой радиа
ции, в тор ы е им ею т очен ь бо л ь ш о е в х о д н о е со п р о ти в л е н и е и приме
н я ю т ся в ИС с малым п отребл ен и ем эн ер ги и .
О дним из ти п ов и н тегр а л ьн ы х т р а н з и ст о р о в я в л я ется м н огоэм и ттер н ы й , о сн о в н о е отл и ч и е к о т о р о г о с о с т о и т в том , ч то он имеет
н е ск о л ь к о эм и тте р о в , объ един ен н ы х одним сл оем ба зы . К о н с т р у к
т и в н о эм иттеры р а сп о л а га ю т т а к , что и ск л ю ч а ется п р я м ое взаим о
д ей ств и е меледу ними, и та к о й т р а н зи ст о р п р ед ста в л я ет с о б о й с о в о
к у п н о ст ь н е ск о л ь к и х тр а н з и ст о р н ы х с т р у к т у р с одн им общ им кол
л ек тор ом . Д л я осл абл ен и я вза и м н ого влияни я в х о д н ы х цепей коэф
ф ициент передачи т о к а м еж ду соседн и м и эм иттерам и дол ж ен бы ть
мал. С оп р оти вл ен и е базы м н о го эм и т т е р н о го тр а н зи ст о р а за счет
увели чения р а сст оя н и я м еж д у кон тактам и ба зы и эм и ттер н ой о б
л а сть ю имеет повы ш ен н ое значени е и д о ст и г а е т величины н е с к о л ь
к и х с о т ом .
О бозн ач ен и е в сх е м а х м н о го эм и т т е р н о го тр а н з и ст о р а п ок азан о
на р и с. 4 .4 , а. М одел ь м н о го эм и т т е р н о го т р а н зи сто р а с учетом по
вы ш ен н ого соп р оти в л ен и я базы п ок азан а на р и с. 4 .4 , б. В этой мо
дели д и од ш у н т и р у е т кол л ек тор н ы й п ер ех од , в сл едств и е ч его ин
вер сн ы й коэф ф ициент усил ения В '* сн и ж а ется д о значения 0 ,0 1 —
0,05.- У пр ощ ен н ая м одель м н о го эм и тте р н о го т р а н зи ст о р а с учетом
п р ен ебр еж и м о м а л о го вза и м н ого влияния эм и ттер ов
показана
на р и с. 4 .4 , в.
* Параметры для многоэмиттерного транзистора обозначены
со штрихом.
Если на все М эм иттеров подать вы сок ое напряж ение U i „ >
> f^ K . м> т о эмиттерный переход будет в запертом состоян ии и
транзистор бу д ет работать в инверсном режиме. При этом ток
к а ж дого эмиттера
Ц, „ =
Т ок
коллектора
/«, « = (1 +
+ М.В'^) /б.
Если и сп ол ьзуется часть эм иттеров т { т < М ) и подается низ
кое напряж ение U I „ < U^. м. т о т эмиттерны х переходов б у д у т
откр ы ты . Н ап ряж ен ие на откры том коллекторном переходе
а
S^0hn
ЧИК
Рис. 4 .4. Многоэмиттерный тран
зистор:
а — о бозн ач ен и е в сх е м а х ; б — м о д е л ь
с у ч е т о м п о в ы ш е н н о го со п р о ти в л е н и я
базы ; в — у п р о щ е н н а я м о д е л ь .
Л0-
где Гк — сопротивление коллекторной области м н огоэм иттерн ого
транзистора; (7кэо — напряж ение м еж д у коллектором и эм иттером
при откры том коллекторном переходе.
При / к . м = О
t /к . м =
tptln [(1 +
^^к'эо =
где
9 т — температурны й
потенциал.
Т ок через каж ды й из (М — т)
рых и ^ щ -т ) > и
1 э (М — т) —
О бщ ий ток , протекаю щ ий
/м =
/б .„ [1
+
эм иттеров, на к о т о
м*
через
( Л
запертых
транзистор
1 - т ) Б ;]
+
/к ,
Т ак и м об р а з о м , при изменении нап р яж ен и я на эм и ттер ах с вы
с о к о г о на н и зк ое и н а о б о р о т п р о и сх о д и т перек л ю ч ен и е т о к а из к ол
л ек тор н ой цепи в эм и ттер н у ю и со о т в е т ст в е н н о из эм иттерной
в к о л л е к т о р н у ю . Т а к о е п ер еклю чен ие п р о и сх о д и т д о в о л ь н о бы стр о,
та к как не тр е б у е т ся р а сса сы в а н и е зар яда в к ол л е к то р н о й обл а сти .
С оврем ен ны е тех н о л о ги ч е ск и е методы п о зв о л я ю т со зд а в а ть ди
оды Ш оттк и в ин тегральн ом и сп ол н ен и и . Т а к и е ди оды п р ед ста в л я ю т
с о б о й к он так т металла (алю м иний) с в ы сок оом н ой кол л ек тор н ой
о б л а ст ь ю п -типа. Д и од ы Ш оттки ч а сто и сп о л ь зу ю т для о гр а н и ч е
ния степен и насы щ ения т р а н з и ст о р о в . С это й цел ью д и од вкл ю ч аю т
п арал лел ьн о к ол л е к т о р н о м у п е р е х о д у (р и с. 4 .5 , а ). О б р а зу ю щ а я ся
при этом единая ин тегральн ая с т р у к т у р а назы вается тр а н зи сто р о м
Ш о тт к и . Е г о обо з н а ч е н и е в с х е м а х п о к а з а н о на р и с. 4 .5 , б.
т °с
/
О/
*12^
у '
L1
0,2
0,1
-60%
12
1S
Гх.мА
Рис. 4.5. Транзистор Шоттки:
а — м о д е л ь ; б — у с л о в н о е о бозн а ч ен и е; в — к о л л е к т о р н ы е х а р а к т е р и сти к и т р а н зи сто р а
Ш от тк и (ш тр и хова я ) и о б ы ч н о г о и н т е гр а л ь н о г о тр а н зи ст о р а в р е ж и м е насы щ ения.
в активном режиме и режиме отсечки диод заперт и не ока
зывает н и к ак ого влияния на работу транзистора. При /б >
транзистор насы щ ается, и часть тока /б проходит через диод. .Б а
зовый ток ум еньш ается д о значения /б = h — /д. ш*. Т о к кол л ек
тора при этом /к = /к + /д. ш. Н апряж ение на коллекторе
U k. а . ш ~
+
Ir.
— U qk =
д. ш) =
-\- 1б>'б — ^д. шО +
нО +
(/к +
Н апряж ение на кол л екторе транзистора
определяется выражением
/ д . ш ) ^к-
в откры том состоянии
и ,, „о = срт In (В /S' + 1 + В ,)/ [В , (1 -
1 /5 )],
где S i — коэфф ициент усиления тока в инверсном режиме S ' =
= 5 /б //к .
К о л л е к т о р н ы е х а р а к т е р и ст и к и т р а н з и ст о р а Ш о т т к и и о бы ч н о го
и н тегр а л ьн ого тр а н зи стор а в реж им е насы щ ения
показаны на
* Индекс ш обозначает приборы Ш оттки; О — открытое
состояние.
р и с. 4 .5 , в. К а к видн о из р и су н к а , н а п р я ж ен и е на к ол л ек тор н ом
п е р е х о д е т р а н з и сто р а Ш о ттк и сл а бе е за в и си т о т т о к а /к . Б л а год а р я
эф ф екту п ер ер асп р ед ел ен и е т о к а в насы щ енном тр а н з и ст о р е Ш оттк и
в к ол л ек тор н ой обл а сти не н ак ап л и вается избы точн ы й за р я д и нет
н еобх од и м о сти е го р а сса сы в а н и я , т. е. нет н е о бх о д и м о ст и прим е
н я ть д оп ол н и тел ьн ы е меры для ум еньш ения п о сто я н н о й времени
р а ссасы в ан и я .
П ри работе в инверсном реж име / д . ш = / б — / б ~ / б Т ок
базы и коллектора при эт о м малы. С со тв е тств ен н о неличина вте
к аю щ его в эм и ттер тока та к ж е мала / , = В ,/б = В\шЬ.
К оэф ф ициент передачи т о к а в ин вер сн ом р еж им е имеет н е б о л ь
ш ое значение
5lm = /э //б =
(1 — /д. ш//б))
п оэтом у ДЛЯ уменьш ения В [ м н огоэм и ттер н ы х т р а н з и с т о р о в в п о
сл ед н и х та к ж е и сп о л ь з у ю т ди оды Ш оттк и .
Т аким об р а з о м , тр а н з и ст о р Ш оттк и м ож н о р а ссм а тр и в а ть как
обы чн ы й, н о с бол ьш и м усил ен ием , малым ин версн ы м коэф ф ициен
том уси л ен и я и м алой п о ст о я н н о й времени р а сса сы в а н и я носителей
заряда. З н ачение ем к ости к о л л е к т о р н о г о п ер ех од а у н его увел и ч ен о:
С к .Ш =
Ск
С д .ш .
Д иоды интегральны х сх ем . В ги б р и д н о-п л ен оч н ы х и н тегр ал ьн ы х
сх ем а х пр и м ен яю тся б е ск о р п у сн ы е ди оды и ди одн ы е с б о р к и , в п о л у
п р ов од н и к ов ы х и совм ещ ен н ы х И С ди оды и згота в л и в а ю тся на о д
ной пл асти н е вм есте с д р у ги м и ком п он ен там и . В первом сл у ч а е
д и од ы и згота в л и в а ю тся о т д ел ьн о от д р у г и х к ом п он ен тов и их эл е к
т р и ч еск и е парам етры м о ж н о о п т и м и зи р о в а т ь . В о в тор ом сл у ч а е
в озм ож н ост и оптим изации огр а н и ч ен ы . З д есь чащ е в се го в каче
ст в е д и од ов и сп о л ь з у ю т с т р у к т у р у и н тегр а л ьн ы х т р а н зи ст о р о в
в ди одном вкл ю чении (р и с. 4 .6 ). П а р а м етр ы д и од о в для дан ны х
сх ем вкл ю чен и я т р а н з и ст о р о в приведены в та б л . 4 .1 , из к о т о р о й
видн о:
С хем а д и о д н о г о вклю чен ия т р а н зи ст о р а
(ри с. 4.6)
П ар ам етр ы
д и од а
'-6 +
и.э.
и п р об
и л.
пр
пр
и.э.
пр
и э.
пр
(У,к.
'■к
пр
первая схем а обл а да ет наи бол ьш и м бы стр од ей ств и ем , им еет
н и зк ое падение н ап р яж ен и я в прям ом нап равл ени и и наименьш ий
обр атн ы й т о к ;
вторая и пятая сх ем ы им еют в ы со к о е значени е о б р а т н о г о н а п р я
ж ения и м иним ал ьн ое п рям ое н а п р я ж ен и е при м алы х т о к а х ;
третья схем а обл а да ет н а и бол ее низким бы стр од ей ств и ем и ее
обы чн о и сп о л ь з у ю т в кач естве н а к о п и те л ь н о го у ст р о й ст в а ;
четвертая схем а имеет наименьш ий обр атн ы й т о к , н о прям ое
н а п р яж ен и е здесь м ак си м ал ьн о.
t
1Ч Н П
^ 1
Окиснаяплета
а
1
L р---- ^ l 1,1
l ----Р
1---Р
Рис. 4.7. Планарные тиристоры:
а — с нзоляциеП о к и с н о й п л е н к о й ; б — с и зол я ц и ей р -п -п е р е х о д о м ; в —
граф ик з а в и си м о сти врем ени вы к л ю ч ен и я о т величины о б р а т н о г о на
п р я ж ен и я (/ — /п р = 1 м А ; 2 — /j, p = 2,1 м А ; 3 — / „ р = 4,5 м А ).
Т ! 1 ристоры в ин тегр ал ьн ом исп олн ении и згота в л и в а ю тся п о пла
н арной т е х н о л о ги и . П о э т о м у и х ч а сто н азы ваю т планарны м и. С ущ ес 1 вует н е ск о л ь к о в а р и а н тов созд а н и я ти р и ст о р н ы х с т р у к т у р .
Н аи бол ьш ее прим енение им ею т планарны е т и р и ст о р ы с п р о д о л ь
ной с т р у к т у р о й (р и с. 4 .7 ). В озм ож н ы два сп о со б а и зол яц и и та ки х
т и р и ст о р о в : о к и сн ой пл енкой (р и с. 4 .7 , а) и с помош,ью р -л -п ер ех од а
(р и с. 4 .7 , б ).
П л анарны е т и р и ст о р ы им еют р я д о со б е н н о ст е й :
1. К р ай н и е р -д -п е р е х о д ы не им ею т утеч ек, что повы ш ает тем п е
р а ту р н у ю ст а б и л ь н ост ь нап р яж ен и я перек л ю чен и я .
2 . Н ап р я ж ен и е переклю чения
не превы ш ает нап р яж ен и я п р о
боя эм и тте р н ого р -« -п е р е х о д а .
3. К о э (^ и ц и е н т инж екции эм и тте р н о го п ер еход а на грани це
в ы со к о о м н о го сл оя или подл ож ки меньш е единицы . В о в к л ю ч ен
ном состоя н и и т и р и стор а эт о п ри води т к т о м у , что в в ы сок оом н ом
сл ое накапл ивается значительны й за р я д .
У казан н ы е о соб е н н о ст и о к а зы в а ю т вл ияни е на п р оц есс в ы к л ю
чения пл анарны х т и р и ст о р о в . Граф ики на р и с. 4 .7 , в и л л ю стр и р у ю т
за ви си м ость времени вы клю чения п л а н а р н ого т и р и ст о р а от вели
чины о б р а т н о го н ап р я ж ен и я . Д ля уменьш ения времени вы к л ю че
ния ум ен ьш аю т разм еры б а зо в ы х о бл а стей .
Н а и бол ее бы ст р од ей ст в у ю щ и е планарны е т и р и ст о р ы им еют ра
бочи е токи от д е ся т к о в м и кроам пер д о сотен миллиам пер, время
переклю чения не превы ш ает 2 0 0 не.
3. ПАССИВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫ Х СХЕМ
Р ези стор ы в ин тегральн ом исполн ении п од р а зд ел я ю тся на п о л у
п р ов од н и к ов ы е, и сп ол ьзуем ы е в м он олитн ы х и м н огок р и ста л ьн ы х
и н тегральн ы х сх е м а х , тон к оп л ен оч н ы е совм ещ ен ны х и гибридны х
и н тегральн ы х сх ем и тол стоп л ен оч н ы е.
Р ези стор ы и зготавл и ваю т или в н утр и п о л у п р о в о д н и к о в о й п л ас
тины (в качестве материала и сп о л ь зу е т ся м атериал и сх од н ой пл ас
тины ), или н а н осят на п о д л о ж к у в виде пленки из м етал ли ческих
п о л у п р ов од н и к ов ы х и ди эл ек тр и ч еск и х м атер и ал ов. В первом с л у
чае и сп о л ь зу ю т к ол л ектор н ы й « - или базовы й /з-слой на о сн о в е
к рем ния. К ол л ек торн ы й сл ой имеет бол ее в ы сок ое удел ьн ое с о п р о
тивл ение. Д ля та к и х р е зи ст о р о в х ар актер н а су щ еств ен н а я тем п ера
ту р н а я н ест а би л ь н ост ь . О тн оси тел ь н ое отк л он ен и е соп р оти вл ен и я
при воздей стви и тем п ер а ту р ы от е го значения при н орм ал ьн ой
тем п ер а ту р е Гн оп р ед ел я ется вы раж ением
едг =
где
6
д ( Т - П ) = ^ R T / {R T „),
д — температурны й коэф ф ициент сопротивления.
Д л я резисторов /г-типа в диапазоне температур — 60 • • • -{-125° С
Оу^ = 0 ,3 . . . 0 , 5 % / ° С. Д л я резисторов
р-типа в диапазоне i =
= 20 . . . 125°С 6 ^^= ± 0 , 0 5 % / ° С .
Р ези стор ы , изготавл иваем ы е в н утр и кр и стал л а, дел ятся на
объем н ы е и сл ои сты е. П ервы е п р ед ста в л я ю т со б о й р ези сти в н у ю
з о н у , в к о т о р о й величины л инейн ы х р а зм ер ов в т р е х и зм ерен иях
м ало отл и ча ю тся д р у г о т д р у г а . В сл о и ст ы х р е зи ст о р а х толщ ина
р ези сти в н ого сл оя зн ач и тел ьн о меньш е д в у х д р у г и х р азм ер ов .
6
Т он коп л ен очн ы е р ези стор ы по ср а вн ен и ю с рассм отренны м и
имеют п р еим ущ ества; бол ьш и е ном иналы соп р оти вл ен и й , более
в ы со к у ю тем п е р а ту р н у ю ста би л ьн о сть , меньш ие паразитны е ем ко
ст и . В качестве м атери ал ов в т а к и х р е зи сто р а х и сп ол ь зу ю т ся ме
таллы , п ол у п р овод н и к и и керм еты , пр ед ставл яю щ и е со б о й соеди не
ния м етал лов с кер а м и кой .
В качестве интегральны х кон д ен са тор ов и сп ол ь зу ю т ба р ь е р н у ю
ем к ость обр а тн о см ещ ен н ого р -п -п е р е х о д а или т р е х сл о й н у ю с т р у к
т у р у ; м еталл— д в у о к и с ь к р ем н и я— п ол у п р о в о д н и к , л и бо н ап ы л ен
ные тон к и е пленки из металла и д и эл ек тр и к а . П ер вы е два типа
к он д ен са тор ов п рим ен яю т в п о л у п р о в о д н и к о в ы х и м н о го к р и ст а л ь
ны х сх ем а х , а трети й — в ги бри дн ы х и совм ещ ен н ы х. О бщ ий недо
ста т о к ин тегральн ы х к он д е н са то р о в — н ебол ьш ая удел ьная ем к ость.
Н а и бол ее ш и р ок о прим еняю тся к он ден са тор ы на осн о в е п е р е х о
д ов тр а н зи стор а . П е р е х о д эм иттер — база обл адает наибольш ей
удел ьной ем к остью , н о и наименьш им пробивны м напряж ением .
П ер ех од кол л ек тор — база имеет в ы со к о е п р оби в н ое напряж ение,
н о н и зк у ю у д ел ьн у ю ем к о сть. Н е д о ст а то к о б о и х ти п ов кон ден са то
р о в — наличие паразитны х ем к остей , в озн и к а ю щ и х м еж ду одной
из обк л а д ок к он д ен са тор а и п од л ож к ой . К он д ен са тор на о сн ов е
к о л л ек тор — п од л ож к а имеет наи м еньш ую п а р а зи тн ую ем кость,
н о п ол езная удельная ем к ость здесь мала. Н аилучш им и эл ек тр и
ческими параметрам и х а р а к т е р и зу ю тся тон к оп л ен оч н ы е кон денса
тор ы , котор ы е с о с т о я т из д в у х п р ов од я щ и х п л енок, разделенны х
п л ен к ой д и эл ек тр и к а , н о они им еют н и зк ое рабоч ее н ап ряж ен ие
д о 2 0 — 30 В.
С оврем ен ная т ех н о л о ги я обл адает бол ьш им и возм ож н остям и
создан и я разли чны х и н тегральн ы х сх е м . В м есте с тем имеются
и огр ан и чен и я . О сн ов н ы е из н и х : р а з б р о с п а рам етров отдельны х
ком п он ен тов, о т су т ст в и е м етодов изготовл ен и я и н дукти вн остей ,
огр а н и ч ен и е м а к си м а л ьн о д о п у ст и м о й м ощ н ости р а ссеян и я и, на
кон ец , т р у д н о ст ь п р ов ер к и эл е к тр и ч е ск и х парам етров отдельны х
к ом п он ен тов и н тегральн ой схем ы .
Глава
5
Ф ОТОЭЛЕКТРОННЫ Е ПРИ БОРЫ
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
П о л у п р ов од н и к ов ы е п р и бор ы , р а бота к о т о р ы х осн ова н а на из
менении эл е к т р и ч е ск о го реж им а при в оздей стви и л у ч и сто й эн ер ги и ,
н а зы ва ю тся ф отоэл ек тр он н ы м и . Д ей ст в и е т а к и х п р и б о р о в о сн о в а н о
на явл ен и и в н у тр ен н его ф отоэф ф екта, к о то р ы й х а р а к т е р и з у е т ся тем ,
что при обл у ч ен и и л у ч и ст о й эн ер ги ей эл е к тр о н ы п о л у п р о в о д н и к о
в о г о в ещ ест в а п о л у ч а ю т д о п о л н и т е л ь н у ю эн е р ги ю , д о ст а т о ч н у ю для
о св о б о ж д е н и я их о т м еж атом ны х св я зе й . В р е зу л ь та т е в н утр и ве
щ еств а ув ел и ч и в ается к о л и ч е ст в о св о б о д н ы х н оси тел ей заряда,
п ов ы ш а ется п р о в о д и м о ст ь вещ ества или возн и к а ет вн утр ен н яя Э Д С .
С о г л а с н о теор и и Э йнш тейна ф отоэф ф ект м ож ет в озн и к н у ть,
есл и эн е р ги я к ва н тов о п т и ч е с к о го изл учения д оста точ н а для п ере
в од а эл е к т р о н о в с л о к а л ь н о го у р о в н я валентной зоны в з о н у п р о в о
д и м о ст и . Эйнш тейн у ста н о в и л с в я з ь м еж д у эн ер ги ей кванта h v ,
р а б о т о й в ы х од а эл е к т р о н а есро и начал ьн ой с к о р о с т ь ю вы лета э л е к
тр он а V .
Ь = e'fo +
г д е /i — п остоя н н а я П л анка, равная 6 ,6 2 •
Д ж /с ; v — частота
к о л е б а н и й о п т и ч е с к о г о и зл у ч ен и я ; т — м асса эл ек тр он а .
Т а к и м об р а з о м , чтобы перейти в зо н у п р о в о д и м о сти , эл ек тр он
д о л ж е н п о л у ч и т ь приращ ен ие эн ер ги и , к о т о р о е п р евы ш ал о бы
ш и р и н у з а п р ещ ен н ой зон ы п о л у п р о в о д н и к а E s- Ч а ст о т а св е т о в ы х
к о л е б а н и й Vq, при к о т о р о й со б л ю д а е т ся р а в ен ств о t]Vo = etfo, н азы
в а е т ся гр ан и чн ой ч а сто то й ф отоэф ф екта, а с о о т в е т ст в у ю щ а я ей
д л и н а в ол н ы Яо = c/vo (с — с к о р о с т ь св ета ) — п о р о г о в о й . С ветовой
п о т о к с ч а ст о т о й н и ж е гр ан и чн ой v < Vo не м ож ет вы звать в о з н и к
н о в е н и е ф отоэф ф екта . Д ля германия Ез == 0 ,6 7 эВ и п о р о го в а я
д л и н а вол н ы Яо = 1,7 мкм; для крем ния Яц = 1,1 мкм.
О д н а к о не все кван ты , поп адаю щ и е на п о в е р х н о ст ь ф о т о п р и б о р а ,
п о г л о щ а ю т ся эл ек тр он а м и . Ч а ст ь из н и х о т р а ж а е т ся о т п о в е р х
н о с т и или п огл ощ а ется на то й гл у би н е , где н ев озм ож ен в ы х о д
э л е к т р о н о в . П о э т о м у кван товы й в ы х о д — отн ош ен и е эф ф екти вно
д е й с т в у ю щ и х к в ан тов эн ер ги и к общ ем у ч и сл у пад аю щ и х на п о в е р х
н о с т ь п р и б о р а к в а н тов — имеет вел и ч и н у п ор я д к а д ол ей п р оц ен та.
В н у т р е н н и й ф отоэф ф ект м ож ет в о з н и к н у т ь и при в оздей стви и
к в а н т о в с эн ер ги ей , м еньш ей Е з. Э т о п р о и сх о д и т при одн оврем ен н ом
п о г л о щ е н и и эл е к тр о н о м эн ер ги и кван та л у ч и с т о г о п оток а и эн е р
ги и т е п л о в о г о фон он а, сум м а к о т о р ы х превы ш ает Е з . Д а н н ое я в л е
ние о б у с л о в л и в а е т те м п е р а т у р н у ю за в и си м о сть ф отоэф ф екта.
У в ел и ч ен и е числ а св о б о д н ы х н оси тел ей за р я д а в зон е п р о в о д и
м о ст и при ф отоэф ф екте о п р ед ел я ется равенствам и
Д« =
(1 -
R ) Ф- Ар =
(1 -
R ) Ф,
где Р — кван товы й в ы х о д ; k — коэф ф ициен т п оглощ ен и я м о н о х р о
м а ти ч еск ого и зл учен и я; т — врем я ж изн и о сн о в н ы х н оси тел ей за
ряд а; Ф — л уч и сты й п о то к .
В о зм о ж н о ст и ф о т о эл е к т р о н н ы х п р и б о р о в зн а ч и тел ьн о р а сш и р я
ю тся при и сп ол ьзов а н и и в н и х явл ения увели чения п р о в о д и м о сти
п ол у п р ов од н и к о в ы х м атер и ал ов п од в оздей стви ем эн ергии и он и зи
р у ю щ и х изл учен и й .
В принципе п р и р од а и зл учения не имеет значения — важ н о,
ч тобы при обл уч ен и и п о л у п р о в о д н и к а со зд а в а л и сь эл е к т р о н н о
ды рочн ы е
пары .
Т аким и
Ч астот, Гц
и сточн и кам и м о г у т бы ть ка к
и сточ н и к и ф о т о н о в (со л н е ч
ная эн ер ги я ,
7 -и зл у ч ен и е,
_Гаммо
р ен тге н о в ск о е и з л у ч е н и е ),т а к
излучения'
и и сточн и ки частиц с в ы со к о й
/А
Рентгенодское
эн ер ги ей (эл ек тр он н а я п у ш
излучение
ка, Р -изл учение, а -ч а сти ц ы ,
Ультратолетоп р отон ы и д р .). Н а р и с. 5.1
Шошсть—'
п ок азан а ди агр ам м а эл е к т р о
видимая
1мкм
•^оЛшть'Т!!
м а гн и тн ого сп е к т р а . И зл у ч еИнфракрасная
ние р азл и чн ы х длин волн ' Ш
область'
в о з б у ж д а е т ся
различными
м етодам и,
од н а к о
природа
1см
Короткие
в озн и к н ов ен и я п р оц есса в о з
paiua- _
бу ж д ен и я во в сех сл у ч а я х
волны
1м
од и н а к ов а .
В н а стоя щ ее врем я на о с
ПХ'^ппт!, ,,
н ов е явления в н у т р е н н е го ф о
'адио’шпния
1км
щания-^
тоэф ф екта р а зр а б о т а н о б о л ь
ш ое
к о л и ч е ст в о
приборов:
Длинные
радио- _
-10^
ф о т о р е з и ст о р ы ,
ф отоди од ы ,
долны
-10^^
ф от отр и од ы , ф о т о т и р и ст о р ы ,
-10'^
св етод и од ы , оп тр он ы , ф о т о е м
-10'‘>
к о ст и , ф от ов а р и ст о р ы и др.
Н есм отр я на та к ое м н о г о о б р а Рис. 5.1. Диаграмма электромагниш ого
зи е п р и б о р о в общ им и х а р а к т е
спектра.
р и сти к ам и для ни х я в л я ю тся :
световая — за в и си м ость ф ототок а от ин тен си вн ости л у ч и ст о го
п оток а при неизм енном сп ек тр а л ьн ом е го со ст а в е и п ост о я н н о м
н а п ряж ен ии м еж ду эл ектр ода м и ;
вол ьт-ам п ерн ая — за в и си м ость ф о то то к а от нап р яж ен и я на
эл е к т р од а х ф отоп р и бо р а при п о ст о я н н о м л у ч и сто м п о то к е ;
сп ек трал ьн ая — за в и си м о сть отн оси тел ьн ой ч у в ств и те л ь н о сти ,
вы р аж ен н ой в п р оц е н та х , от дл ины волны падаю щ и х на ф о т о п р и б о р
лучей при п остоя н н о й величине л у ч и с т о г о п оток а и п о стоя н н ом
н ап р яж ен и и м еж ду эл ектр ода м и ;
частотн ая — за в и си м о сть отн оси тел ьн ой ч у в ств и тел ь н ости в
п р оц ен та х о т ч астоты изменения и н тен си в н ости л у ч и с т о г о п оток а
при п ост оя н н ы х е г о величине и н а п р я ж ен и и ;
тем п ератур н ая — п ок азы ваю щ ая изм ен ение х а р а к т е р и ст и к и па
р ам етр ов ф отоэл ек тр о н н ы х п р и б о р о в при изменении тем п ер а ту р ы ;
п ер еход н ая , к от ор а я п ок а зы ва ет бы стр о д е й ств и е ф о т о эл е к т р о н
ны х п р и б о р о в и оп р ед ел я ет их р еа кц и ю на единичны й ск а ч о к
с в е т о в о г о п оток а ;
ха р а к тер и сти к а у то м л я е м о сти , п ок а зы ва ю щ а я изменение ч у в
ств и тел ьн ости п р и б ор а от врем ени е го р а б о т ы . У т о м л я е м о ст ь п р о я в
л яется в пон и ж ен и и ч у в ств и те л ь н о сти п р и б о р а и яв л я ется сл ед
стви ем н ед оста точ н о б ы с т р о г о п ер ех од а эл е к т р о н о в на о бл у ч а ем у ю
г
д
е
Рис. 5.2. Условны е графические
обозначения осн овн ы х ф отоэлект
ронных приборов:
-fK b
U
а — ф о т ор ези ст ор ;
б — ф отоди од;
а—
диодн ы й ф ототи р и стор;
г — ф ототри од;
д — сол н еч н ы й ф о т о э л е м е н т ; е — со л н е ч
ная ф о т о б а т а р е я ; ж — с в е т о д и о д ;
з —
д и о д н ы й о п т р о н ; и — т и р и с т о р н ы й опт*
рон ; к — р е з и с т о р н ы й о п т р о н .
-Ш -
п о в е р х н о ст ь из гл уби н ы м атериал а. Б о л ь ш и н ст в о ф о тоэл ек тр он н ы х
п р и б ор ов п осл е оп р ед ел ен н ого времени бездей стви я в о сст а н а в л и
ваю т с в о ю ч у в ст в и тел ь н о ст ь .
К осн овн ы м парам етрам ф о то эл е к тр о н н ы х п р и б о р о в о т н о ся т с я :
ин тегральн ая ч у в ст в и т е л ь н о ст ь , п ок а зы в а ю щ а я , как изм ен я
ется ф о т о т о к при единичном изменении л у ч и с т о г о п оток а ,
/(ф = а /ф /а Ф .
И н тегр а л ьн ую ч у в ст в и т е л ь н о ст ь о бы ч н о н а х о д я т при одн ом о п р е
дел енн ом и сточ н и к е л у ч и с т о го и зл учения с п остоя н н ы м сп е к т р а л ь
ным со ст а в о м (лампа с вол ьф р а м ов ой н и тью накаливан ия при т е м
п ер а ту р е нити 2854 К );
сп ек тра л ьн ая ч у в ст в и т е л ь н о ст ь , п ок азы ваю щ ая изменение ф ото
то к а при изменении л у ч и ст о го п оток а к а к о й -л и б о длины в о л н ы ,
/< х =
( 3 /ф /а Ф х ;
в н у тр ен н ее соп р оти в л е н и е п ерем енном у т о к у
= dUJdl^-,
соп р о ти в л ен и е п о ст о я н н о м у т о к у
Ro —
тем п овой т о к / т — т о к п р отек а ю щ и й через п р и б о р в сл у ч а е
п ол н о г о е го затем н ен ия;
доп у сти м а я м ощ н ость р а ссея н и я Рф.макс'.
м а к си м ал ьн ое д о п у ст и м о е н а п р я ж ен и е за тем н ен н ого ф отоп р и
б о р а Um максО бозн а ч ен и е о сн о в н ы х ф о т о эл е к т р о н н ы х п р и б о р о в п ок а за н о на
ри с. 5 .2 .
2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ
И
ВЕНТИЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Ф отор ези стор ы — эт о п р и б ор ы , эл е к т р и ч е ск о е соп р оти в л ен и е
к о т о р ы х изм ен яется под дей стви ем л у ч и сто й эн ер ги и и к отор ы е
п р е д ста в л я ю т с о б о й сл о й п о л у п р о в о д н и к о в о г о вещ ества / , нане
се н н о го на ст е к л я н н у ю п л а сти н к у 3 с то к о п р о в о д я щ и м и кон тактам и
2 (р и с. 5 .3 , а ). Д л я защ иты от вл аги п о в е р х н о ст ь п ол у п р ов од н и к а
п о к р ы в а ю т прозр ачн ы м л аком . П л а сти н у
п о м е щ а ю т в п л астм а ссов ы й к о р п у с с
ок н о м для п р он и к н ов ен и я св е та . Д ля
ф о т о р е з и с т о р о в п р и м ен яю т сер н и сты е
соед и н ен и я в и см у та , кадмия и д р у ги е
п о л у п р о в о д н и к и с эл ек тр он н ой или д ы
р оч н ой п р о в о д и м о ст ь ю .
Ф о т о р е з и сто р вк л ю ч а ется в цепь и с
точн и к а ЭД С л ю бой п ол я р н ости (р и с.
5 .3 , б ). П ри о т су т с т в и и освещ ен и я ф о т о
р ези стор имеет м а к си м а л ьн ое с о п р о т и в
л ение R j, н азы ваем ое тем н овы м . П о
цепи п р отек а ет малый ток
Рис. 5.3. Ф оторезистор:
/х = E J iR r + /?„).
а — устр ой ство;
б — схем а вк л ю -
П ри освещ ен и и ф о т о р е зи ст о р а е го эл е к
тр и ч е ск о е соп р от и в л е н и е ум ен ьш ается д о величины Rc
Т о к в цепи
/с =
Es /( Rc +
R h)-
Ф о то то к п р ед ста вл яет со б о й р а зн о ст ь
—
1с
/ Т"
И н теграл ьн ая ч у в ст в и т е л ь н о ст ь
К ф =
(/с -
89
/т )/Ф .
К р а т н ость изменения соп р оти в л ен и й
= (R , -
R,)/R^
я вл яется одним из п а р ам етр ов ф о т о р е з и с т о р о в .
С ветовы е х а р а к тер и сти к и ф о т о р е з и ст о р а (р и с. 5 .4 , а) нелинейны .
В ол ьт-ам п ер н ы е ха р а к тер и сти к и (р и с. 5 .4 , б ) линейны в пределах
д о п у сти м ой для ни х м ощ н ости р а ссе я н и я . В св я зи с этим н е о б х о д и
мо огр а н и чи ть м а к си м а л ьн у ю вел ичину нап р яж ен и я на заж им ах
ф о тор ези стор а . П ри б ол ьш и х н а п р я ж е н и я х , всл ед ств и е ч р е зм е р
н ого н а грева , м ож ет п р ои зой ти р а зр у ш ен и е с в е т о ч у в ст в и т е л ь н о го
сл о я .
-Оа^УОВ
.508
40
20
о
Ц
нкА
Г/о
80
•20В
i 20
/з на В А Х б у д е т уч асток с отрицательны м дифмаксимальная величина котор ого
ф еренциальным сопротивлением
со о т в е т ст в у е т I ~ h ,
SfutJix
^д. макс ~ Rn
R t ( 1 — ^ / / 3 )При / -> оо
о о , Т. е. В А Х
приближ ается к прямой, с о о т в е т
ств у ю щ ей сопротивл ению {R„ +
+ R „).
ВАХ
та к ого оптрона
показана на рис. 5 .2 0 , в.
П о с к о л ь к у т ем н ов ое с о п р о
Рис.
Оптрон с отрицательной
ти вл ен и е ф о т ор е зи ст о р а б о л ь
оптической и прямой электрической
ш ое, то рассеиваем ая на нем
связями:
мош ,ность ок а зы в а ется бол ьш е
а — п р ин цип иальн ая сх ем а ; б — п е р е д а т о ч
ная х а р а к т ер и сти к а .
Рф. доп- П о э т о м у , ч тобы п ол у ч и ть
ВАХ,
п о к а за н н у ю
на
р и с.
5 .2 0 , в, н е о б х о д и м о сн и зи ть С/пер за сч ет подсвета д о величины
С/пер < Рф. доп //з - Э то д о ст и га е т ся за счет и сп ол ьзов а н и я д о п о л н и
т е л ь н о го и сточн и ка излучения (р и с. 5 .2 0 , г). Т а к и е оп тр он ы п р и
м ен яю тся в у ст р о й с т в а х вы ч и сл и тел ьн ой тех н и к и и в у ст р о й ст в а х
ото б р а ж е н и я информ ации.
С хем а оп тр он а с О О С и е го передаточн ая х а р а к тер и сти к а п о к а
заны на р и с. 5 .2 1 , а, б. К а к в и д н о из р и су н к а , передаточн ая х а р а к
тер и сти ка т а к о г о оп тр он а нелинейная и по св о е м у виду напом инает
ха р а к тер и сти к и п р и б о р о в тл е ю щ е го р а зр я д а , ч то п озв ол я ет и сп о л ь
з о в а ть оп тр он дл я ста би л и за ц и и с в е т о в о г о п о то к а в о п т о э л е к т р о н
н ы х у ст р о й ст в а х .
О п тр он с внеш ней пр я м ой о п ти ч еск ой н вн утр ен н ей прям ой
■эл ектрической св я зя м и о су щ е ст в л я е т п р е о б р а зо в а н и е оп ти ч ески й
сигнал — эл ек тр и ч еск и й си гн ал — оп ти ч ески й си гн а л (р и с. 5 .2 2 ).
К оэф ф ициент передачи т а к о г о о п тр о н а оп и сы в а ется уравнени ем
/( =
^БЫХ
_
1
+
где bf,, Ад, а — п остоя н н ы е коэф ф ициенты ф отоприем ника; Z r, Z„^ —
тем новое сопротивление Ф П и И И со о т в ет ст в е н н о ; В,
^вых
яркость на входе н вы ходе
оптрона; Вф — я р к ость на вы
ходе при Ввх = 0 ; Ug — напря
ж ение источника питания.
Т а к и е оп тр он ы п рим ен я
ю тся
как
п р еобр а зов а тел и
н а п р я ж ен и я .
В оп тоэл ек тр он н ы х
уст
р ой ств а х
оп тр он н ы е
пары
Рис. 5.22. Оптрон с внешней и внутренней
св я за н ы м еж ду с о б о й о п т и
прямыми электрическими связями:
а — п рин ципиальная
сх е м а ;
б — п ер ед аточ н ая
ч еск ой ср ед ой , в к ач естве к о
х а р а к т е р и сти к а .
т о р о й п р и м ен яю тся в о л о к о н ны е св етов од ы , разли чны е см ол ы , п о л у п р о в о д н и к о в ы е и д р у ги е
м атериал ы , в к о т о р ы х п р о я в л я ю т ся ф о то эл е к тр и че ск и е св о й ст в а .
П ом им о осн ов н ой ф ункции — о п ти ч еск ой св я зи , о п ти ч еск и е среды
м о г у т т а к ж е вы п ол н я ть р о л ь со гл а со в а н и я и уп р авл ен и я св етов ы х
п о т о к о в . В к ачестве с о г л а с у ю щ е г о звена о п ти ч еск а я ср ед а и с п о л ь
зу ется в т е х сл у ч а я х , когд а коэф ф ициенты прелом ления м атер и ал ов
И И и Ф П о т л и ч а ю т ся . У п р а в л я ю щ и е о п т и ч е с к и е ср еды я вл яю тся
одним из ф у н к ц и он а л ьн ы х эл ем ен тов о п т р о н о в , к о т о р ы е п о зв о л я ю т
изм ен ять их передаточн ы е ф ун кции.
Глава
6
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
1. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
Т е р м ор ези стор — п о л у п р о в о д н и к о в ы й п р и б о р , соп р оти в л ен и е
к о т о р о г о изм ен яется в за ви си м ости о т тем п ер а ту р ы . Р азл и ча
ю т т е р м ор ези ст ор ы п р я м о го п од огр ев а (н агр ев о су щ е ств л я е тся
изменением тем п ератур ы о к р у ж а ю щ е й ср еды илн т о к о м , п р о х о д я
щ им через п р и б ор ) и те р м о р е зи сто р ы к о св е н н о го п од огр ева (н агрев
о су щ ест в л я ется спец иал ьны м под огр евател ем ). К осн овн ы м х а р а к
тери сти кам тер м о р е з и ст о р о в о т н о ся тся тем п ературн ая и вол ьтам п ерн ая. В зави си м ости от вида тем п ер а ту р н ой х а р а к тер и сти к и
разли чаю т т ер м ор е зи ст о р ы с отрицател ьны м и пол ож ительны м
(п озп стор ы ) тем п ературн ы м коэф ф ициентом соп р оти в л ен и я «т-
а — т ем п ер а т у р н а я т е р м о р с з и с т о р а
м ого
подогрева
с
о т р и ц а т ел ь н ы м
с
отрицательны м
в — рел ей н ы й
б — ВАХ
эф ф е к т;
терм ор ези стор оп пря
г — ВАХ
т е р м о р е зи с т о р а
к о с в е н н о г о п о д о г р е в а ; д — т е м п е р а т у р н а я п о з и с т о р а ; е — В А Х п о зи сто р а .
У терм орезисторов с отрицательны м
уменьш ение соп р оти в
ления при повы ш ении т ем п ер а ту р ы о б у с л о в л е н о увеличением к о н
центрации н оси гелей за р я д а или и х п о д в и ж н о ст и . А н а л и ти ч ески
эта за в и си м о сть оп и сы в а ется уравнени ем
R = = A e ^ '^ ,
(6 - 1 )
где А — коэф ф ициент, за ви ся щ и й от св о й ст в п о л у п р о в о д н и к о в о го
материала н к о н ст р у к ц и и те р м о р е з и ст о р а ; В — коэф ф ициент тем
пер атур н ой ч у в ст в и т е л ь н о ст и ; Т — тем п ер а ту р а , К.
П арам етры
и В св я за н ы м еж ду с о б о й соотн ош ен и ем
I dR
В
.д
R dt
Т^'
(
Т ем п ер а тур н а я х а р а к т е р и ст и к а т е р м о р е з и ст о р а с отр и ц а тел ь
ным ttr п ок азан а на р н с. 6 .1 , а. Из граф ика и ур авн ен и й (6 -1 ),
( 6 - 2 ) ви дн о, что величина а т нел иней но за в и си т о т т ем п ер а ту р ы .
B A X т е р м о р е з и ст о р о в п р я м о го п о д о гр е в а с отр и ц ател ьн ы м а ,
разл и чн ы х ти п ов (р и с. 6 . 1 , 6} им ею т линейны й х а р а к т е р в обл а сти
малых т о к о в , что об ъ я сн я е т ся незначительн ы м н а гр ев ом . С р о сто м
ток а вы деляю щ аяся в т е р м о р е зи ст о р е м ощ н ость увели чивается
и тем п ер атур а п р и б ор а повы ш ается, в р е зу л ь та те ч его ум еньш ается
соп р оти в л ен и е т ер м о р е зи ст о р а и л и н ей н ость В А Х н а р у ш а ется .
В за в и си м ости о т х а р а ктер а ф ункции R (T ) р а зл и ч а ю т три типа
В А Х . У т е р м о р е з и ст о р о в с В А Х п е р в о го типа (к р и в а я / ) увели чение
ток а со п р о в о ж д а е т ся повы ш ением н а п р я ж ен и я . Эти п р и б ор ы чащ е
и сп о л ь з у ю т ся в и зм ерител ьн ы х с х е м а х . У т е р м о р е з и ст о р о в с В А Х
в т о р о го типа (кр и вая 2 ) в оп р ед ел ен н ом ди а п а зон е то к о в н а п ряж ение
п р ак ти чески не и зм ен яется. Эти п р и б ор ы п р и м ен яю т в кач естве
ста б и л и за т ор ов н а п р я ж ен и я . У т е р м о р е з и ст о р о в с В А Х т р е ть е го
типа (к р и в ая 3) п осл е д о сти ж е н и я м аксим ум а с р о ст о м ток а у м ен ь
ш ается н ап р я ж ен и е. Эти п р и б ор ы п рим ен яю т в си стем а х а втом ати
ч е ск о г о р егу л и р ов а н и я .
Если последовательно с терморезистором вклю чить линейный
р е з и ст о р , т о цепь х а р а к т е р и з у е т ся релейны м эф ф ектом , т. е. с к а ч к о
обр а зн ы м изменением т о к а при изменении тем п ер а ту р ы о к р у ж а ю
щ ей ср ед ы или п р и л о ж е н н о го н а п р я ж ен и я . Н а р и с. 6 .1 , в, п о я сн я
ю щ ем су щ н о ст ь р ел ей н ого эф ф екта, показаны В А Х те р м о р е зн сто р а ,
изм еренны е при те м п е р а ту р а х о к р у ж а ю щ е й ср еды T i (кривая Л )
и Т 2 (к р и вая В ), причем Т 2 > Т-^. Л иния С и зобр а ж а ет за в и си м ость
где и — п р и л ож ен н ое н а п р я ж ен и е; U-! — падение нап р яж ен и я
на т е р м о р е з и ст о р е ; R — л инейн ое соп р о ти в л е н и е .
Т о к в цепи при те м п е р а ту р е Т^{1^ о п р ед ел я ется т о ч к о й п ер есе
чения к р и в ой С с В А Х т е р м о р е зи ст о р а (к р и ва я А ) . П ри повы ш ении
тем п ер а тур ы о к р у ж а ю щ е й ср еды от Ту д о Та т о к в цепи п л авн о в о з
р астает о т
д о / 2 . П о л о ж е н и е точ к и 2 я в л я ется н еустой ч и вы м
и при незн ачи тельн ом повы ш ении тем п ер а ту р ы ток в цепи ска ч к ом
возрастает д о величины / 3 и оста ется постоянны м при неизменной
т ем п ер а ту р е. Э то явл ен и е н азы вается прямым релейны м эффектом.
П ри ум еньш ении тем п ер а ту р ы о к р у ж а ю щ е й ср еды от
до
то к в цепи п л авно убы в а ет от / 3 д о / 4 . П ол ож ен и е точ ки 4 такж е
я в л я ется н еустой чи вы м и при н ебол ьш ом уменьш ении тем п ературы
т о к в цепи ск а ч к ом ум ен ьш ается д о величины 1^. Э то явл ение назы
вается обр атн ы м релейны м эф ф ектом . Р елейны й эф ф ект расш и р яет
обл а сти применения т е р м о р е з и ст о р о в в си стем а х ав том а ти ч еск ого
р егу л и р ов а н и я , защ иты , си гн а л и за ц и и , в разли чн ы х изм еритель
ны х у ст р о й ст в а х и т. д.
Последние комментарии
1 час 44 минут назад
5 часов 49 минут назад
6 часов 24 минут назад
1 день 3 часов назад
1 день 3 часов назад
1 день 4 часов назад