Материал: Rozrakhunkovo_grafichna_robota

Методичні вказівки

Приступаючи до вивчення даної теми, треба осмислити назву «польові транзистори» або «уніполярні транзистори». Польовими вони називаються тому, що основою їх принципу дії є керування дрейфом носіїв заряду через канал за допомогою двох взаємно перпендикулярних електричних полів - поздовжнього та поперечного. Уніполярними, на відміну від біполярних, називаються вони тому, що в процесі протікання струму у цих приладах беруть участь носії одного знаку – лише дірки або лише електрони – в залежності від типу провідності каналу.

Вивчаючи будову ПТ з керуючим p-n переходом, необхідно звернути увагу на те, що в робочому режимі p-n перехід між затвором та витоком (керуючий перехід) вмикається у зворотному напрямі. По-перше, це забезпечує можливість ефективного керування шириною, і, як наслідок, провідністю каналу за допомогою змінної вхідної напруги U_ЗВ, що є необхідним для створення підсилювального ефекту. По-друге, ця обставина обумовлює найважливішу перевагу ПТ перед біполярними – високий вхідний опір. Це дозволяє керувати приладом не за допомогою струмів, як у БТ, а за допомогою напруги.

При вивченні принципу дії ПТ з керуючим p-n переходом треба зрозуміти, чому перекриття каналу при збільшенні напруги U_ЗВ за модулем починається в області стоку; чому при одночасному збільшенні стокової U_СВ та затворної U_ЗВ напруги для великих U_ЗВ перекриття каналу здійснюється за допомогою меншої напруги U_СВ; чому при напрузі відсічки U_{ЗВ відс} через канал протікає деякий струм I_С, що відрізняється від нуля; чому напруга відсічки U_{ЗВ відс} є конструктивним параметром ПТ з керуючим p-n переходом, постійним для даного пристрою; чому ця напруга пропорційна концентрації домішок у каналі.

Розглядаючи статичні характеристики ПТ з керуючим p-n переходом, не достатньо запам’ятати їх форму. Як і при розгляді характеристик БТ, необхідно вміти надати чітку фізичну трактовку кожної ділянки кривої. Особливо слід звернути увагу на область вихідних характеристик приладу при 0 < U_СВ < U_СВпер, яка називається крутою, або омічною областю. В цій області диференційний опір ПТ з керуючим p-n переходом змінюється зі зміною напруги на затворі, це дозволяє використовувати транзистор як електронно-керуючий резистор.

При вивченні МДН (МОН) – транзисторів, чи ПТ з ізольованим затвором, необхідно врахувати, що в них використовується раніше вивчене явище, під назвою «ефект поля». Треба прийняти до уваги, що якщо у ПТ з керуючим p-n переходом вхідний опір досягає декілька сотень кілоомів, то у МДН - транзисторах він складає одиниці та десятки мегомів за рахунок діелектричного шару між металічним затвором та напівпровідниковою підкладкою.

При розгляді явищ на поверхні напівпровідника потрібно знати, що в основу роботи МОН (МДН) транзисторів покладений ефект поля, який заключається в керуванні електропровідністю поверхневого шару напівпровідникового кристалу за допомогою напруги, що прикладається до металу і напівпровідника, розділених шаром діелектрика. Треба з’ясувати та прояснити фізичний зміст таких термінів, як «збагачення», «збіднення», «інверсія», «інверсний поверхневий шар» тощо. Використовуючи знання цього матеріалу, в подальшому потрібно розглянути будову та роботу МДН - транзисторів з індукованим каналом (збагаченого типу) та з вбудованим каналом (збідненого типу). Далі слід вивчити вихідні та прохідні статичні характеристики МДН - транзисторів, звернути увагу на те, при якій напрузі U_ЗВ вони знімаються, та відмінність їх від характеристик ПТ з керуючим p-n переходом.

Розглядаючи залежність характеристик ПТ від температу-ри, необхідно вміти показати на стоко-затвірних характеристик-ках термостабільну точку, а також пояснити, чому у даних приладах, на відміну від БТ, відсутнє явище самоперегріву.

Розглядаючи граничні режими роботи ПТ, особливу увагу слід звернути на можливість пробою діелектричного шару в МДН - транзисторах статичним зарядом на затворі, вивчити схемо технічні способи захисту затвору в схемах та запобіжні заходи при їх монтажі.

Частотні властивості ПТ необхідно пов’язувати з їх еквівалентними схемами. При розгляді динамічного режиму роботи ПТ з керуючим p-n переходом вивчити принципові схеми основних каскадів на їх основі.

Література: [1], с.161-198; [2], с.270-277; [8], с. 5-67

Питання до самоконтролю

1. Будова та принцип дії ПТ з керуючим p-n переходом.

2. Чому вхідна напруга транзистора з керуючим p-n переходом U_ЗВ повинна вмикати p-n перехід між каналом та затвором в зворотному напрямі?

3. При якому співвідношенні концентрацій домішок у затворі та каналі ПТ з керуючим переходом, що має p-канал, можливе ефективне керування струмом стоку: а) N_aк >> N_dз; б) N_aк ≈ N_dз; в) N_aк << N_dз; г) N_dк << N_aз?

4. Описати принцип дії ПТ з керуючим p-n переходом за допомогою кількісних співвідношень.

5. Нарисувати та пояснити вигляд статичних характеристик ПТ з керуючим p-n переходом.

6. Дати визначення та вказати межі зміни диференціальних параметрів ПТ з керуючим p-n переходом.

7. Чому ПТ мають більш високий вхідний опір, ніж біполярні?

8. Пояснити будову та принцип дії МДН (МОН) - транзисторів з індукованим каналом, їх статичні характеристики.

9. Пояснити будову та принцип дії МДН (МОН) - транзисторів із вбудованим каналом, їх статичні характеристики.

10. Пояснити залежність характеристик ПТ від температури.

11. Провести порівняльний аналіз будови, роботи та застосування МДН - транзисторів та ПТ з керуючим p-n переходом.

12. Навести та пояснити роботу схеми підсилювального каскаду на ПТ з керуючим p-n переходом.

13. Чому у ПТ, на відміну від транзисторів біполярних, відсутній самоперегрів?

14. Навести еквівалентну схему ПТ та пояснити призначення її основних складових.

15. Пояснити за допомоги еквівалентних схем частотні властивості ПТ.

16. Розкрити способи забезпечення режиму спокою каскадів на ПТ з керуючим p-n переходом; навести відповідні принципові схеми.

17. Викласти основні вимогою до потужних ПТ та МДН транзисторів.

18. Розглянути конструктивні особливості і вихідні характеристики транзисторів зі статичною індукцією.

19. Пояснити будову та принцип дії польових приладів з зарядовим зв’язком.

20. Розкрити основні режими роботи МДН-структури в приладах з зарядовим зв’язком.

Розділ 5. Тиристори

Будова та принцип дії тиристорів. ВАХ тиристора. Діністорний режим. Триністорний режим. Залежність напруги переключення триністора від струму керування. Симістори. Способи комутації тиристорів. Позначення тиристорів. Перехідні процеси в тиристорі. Особливості керування тиристорами. Побудова електричних кіл керування. Вибір режиму формувача імпульсів керування. Параметри імпульсів керування.

Методичні вказівки

Вивчення тиристорів слід починати з розгляду чотиришарової p-n-p-n-структури при подачі зовнішньої напруги лише на крайні області. При цьому бажано фізичні процеси в цій структурі при зворотній, а після цього при прямій анодній напрузі U_А, розглядати паралельно з роботою тиристорного включення двох транзисторів з різним типом провідності. Кожний фізичний процес у тиристорі, що розглядається, потрібно пов'язувати з відповідною ділянкою ВАХ. Момент включення тиристора потрібно вміти характеризувати як якісно, пояснюючи фізичні процеси в чотиришаровій структурі, так і кількісно, за допомогою коефіцієнтів h_21Б1 та h_21Б2 еквівалентних p-n-p- та n-p-n-транзисторів, що складають тиристорну структуру, та анодного струму I_А.

З іншого боку, оскільки тиристори є приладами з S -подібною ВАХ, що має ділянку з негативним диференційним опором, то вони є базою побудови імпульсних пристроїв, що генерують електромагнітні хвилі. У зв’язку з цим дуже важливо розглянути природу та механізм дії внутрішнього позитивного зв’язку в приладі. Необхідно вміти показати, яким чином зростання інжекційних процесів на одному з прямо ввімкнених емітерних переходів тиристора при позитивній анодній напрузі приводить до зростання інжекції через другий перехід. Аналогічним чином треба вміти пояснити на двотранзисторній еквівалентній схемі тиристора, яким чином збільшення емітерного струму p-n-p-транзистора приводить до збільшення прямого зміщення емітерного переходу n-p-n-транзистора та, як наслідок, збільшення емітерного струму цього транзистора, як це явище впливає на подальше відкриття емітерного переходу p-n-p-транзистора. При розгляді вмикання тиристора треба чітко уявляти, що саме внутрішній позитивний зв'язок визначає лавиноподібний характер цього процесу.

Розглядаючи роботу тиристора в керованому тиристорному режимі, необхідно вміти показати, що збільшення струму керування, збільшення прямого зміщення одного з емітерних переходів тиристора приводить до того, що внаслідок прискореного накопичення надлишкових зарядів дірок у p-базі, а електронів – в n-базі, перемикання приладу настає при менших анодних напругах. Цю обставину необхідно проілюструвати за допомогою сім’ї ВАХ триністора. Важливо враховувати, що при струмі керування I_кер = I_спр тиристор працює як звичайний діод.

Дуже важливо мати уявлення про блокувальну властивість тиристора та знати способи її підвищення.

Вивчати перехідні процеси при перемиканні тиристорів необхідно в наступній послідовності: ввімкнення струмом керування при малих анодних струмах, ввімкнення струмом керування при великих анодних струмах, ввімкнення тиристора по аноду (ефект , вимкнення тиристора. Наприкінці слід звернути увагу на імпульсний режим роботи тиристора оскільки він часто використовується в пристроях і системах енергетичної електроніки.

Розглядаючи різновиди тиристорів, особливу увагу необхідно звернути на симістори, що дозволяють регулювати діюче значення напруги в колах змінного струму.

Література: [1], с.199-218;

Питання до самоконтролю

1. Розглянути будову, принцип дії та ВАХ тиристора в диністорному режимі.

2. Розглянути будову, принцип дії та сім’я ВАХ тиристора в триністорному режимі.

3. Пояснити механізм утворення та дію позитивного зворотного зв’язку в триністорній структурі.

4. Пояснити принцип дії тиристора за допомогою розгляду роботи тиристорного включення двох транзисторів різного типу провідності.

5. Що таке блокуюча здатність тиристора та як вона досягається?

6. Розглянути будову, принцип дії та сім’я ВАХ симістора.

7. Охарактеризувати способи включення тиристорів.

8. Охарактеризувати способи виключення тиристорів.

9. Чому в імпульсному режимі по аноду тиристор відкривається при менших анодних напругах , ніж у неперервному режимі?

10. Охарактеризувати параметри та систему позначень тиристорів.

Розділ 6. Лавинно-прольотні діоди та діоди Ганна

Лавинно-прольотні діоди (ЛПД). Типова конструкція. Механізм виникнення від'ємного диференціального опору. Використання ЛПД для генерації НВЧ - коливань. Основні параметри ЛПД.

Загальні відомості про ефект Ганна. Вимоги до зонної структури напівпровідника. Статична ВАХ діодів Ганна. Зарядова нестійкість у приладах з від’ємним диференціальним опором. Генерація НВЧ - коливань у діодах Ганна.

Методичні вказівки

Вивчення роботи ЛПД слід починати з розгляду фізичних явищ, що відбуваються у приладах.

ЛПД це напівпровідниковий діод, що має негативний диференціальний опір в НВЧ - діапазоні внаслідок розвитку так званої лавинно-пролітної нестійкості. Остання обумовлена ударною іонізацією та дрейфом носіїв заряду в р-n - переході у режимі зворотного зміщення.

Виникнення негативного опору в ЛПД обумовлено двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протікання в області просторового заряду p-n-переходу в режимі лавинного множення. Перший процес пов'язаний з часом наростання лавинного струму, а другий процес - з проходженням носіїв через пролітну область. Їх суперпозиція призводить до появи фазового зсуву між струмом і напругою на відводах діода. Одним з основних критеріїв, необхідним для роботи ЛПД, є приблизна рівність між періодом коливань НВЧ поля і характерним часом прольоту носіїв через область просторового заряду.

Особливості фізичних процесів що відбуваються у ЛПД слід розглянути на прикладі діоду Ріда, який історично був створений першим.

Після ознайомлення з принципом роботи ЛПД слід розібратися в конструктивних особливостях діодів різної конструкції та пристроїв, що використовуються для підсилення електромагнітних хвиль, які генеруються діодами (резонаторних контурів).

Наприкінці слід запам’ятати характерні параметри різних типів ЛПД (вихідну потужність, частоту і коефіцієнт корисної дії), що працюють у імпульсному або безперервного режимі НВЧ генерації.

Ознайомлення з принципами роботи діодів Ганна слід розпочати з вивчення та розуміння суті ефекту Ганна. Для цього потрібно з’ясувати особливості напівпровідникового матеріалу що обумовлюють можливість виникнення цього ефекту. Ефект Ганна спостерігається головним чином у двохдолинних напівпровідниках, зона провідності яких складається з однієї нижньої долини і кількох верхніх долин. Слід розібратися у процесах, що відбуваються у напівпровіднику при прикладанні зовнішнього електричного поля. Після цього можна приступити до вивчення принципів роботи самого діода Ганна.

Діод Ганна - напівпровідниковий діод, що складається з однорідного напівпровідника, який генерує високочастотні коливання при прикладанні постійного електричного поля. Фізичною основою, що дозволяє реалізувати такі властивості діоду, є ефект Ганна, який полягає в генерації високочастотних коливань електричного струму в однорідному напівпровіднику з N-подібною ВАХ. Ефект Ганна виявлений американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) у 1963 р. в кристалах арсеніду галію (GaAs) з електронною провідністю. Ганн виявив, що при прикладанні електричного поля E (E_пор ≥ 2-3 кВ/см) до однорідних зразків з арсеніду галію n-типу в зразках виникають спонтанні коливання струму. Пізніше він встановив, що при E > E_пор у зразку, зазвичай у катода, виникає невелика ділянка сильного поля - «домен», який дрейфує від катода до анода зі швидкістю υ ~ 10⁶ м/с і зникає на аноді. Потім у катода формується новий домен, і процес періодично повторюється. Моменту виникнення домену відповідає падіння струму, що протікає через зразок. Моменту зникнення домену у анода - відновлення колишньої величини струму. Період коливань струму приблизно дорівнює прогонному часу, тобто часу, за який домен дрейфує від катода до анода.