Тема 4. Компоненти електронних кіл

1. Напівпровідникові діоди

Електронні кола є частинним видом електричних кіл і відрізняється лише спеціальними комонентами, функціонування яких зумовлюється певними електронними ефектами. Ці ефекти можуть викликатися термоелектронною емісією, процесами на контактах (переходах) різнотипних провідників тощо. Важливо, що за допомогою компонент електронних кіл можна збільшувати енергію електричних сигналів. Здебільшого електронні компоненти є багатополюсними, тобто для їхнього аналізу зручно використовувати підходи, описані в § 2.4 та § 2.5. Однак іноді вдається замінити конкретну багатополюсну електронну компоненту деяким з’єднанням класичних двополюсних компонент (заступними схемами), описаних в § 2.2 цього підручника, які, як правило, містять керовані джерела енергії.

Зазначені особливості електронних кіл опишемо більш детальніше.

 

1. Напівпровідникові діоди

 

Напівпровідниковими діодами називають напівпровідникові прилади, основою яких є контакт напівпровідників різних типів, які мають два виводи. Як контакт використовують звичайний p-n-n – перехід, гетероперехід або бар’єр Шотткі. Усі напівпровідникові діоди можна поділити на дві групи: загального та спеціального призначення.

Опір діода залежить від напрямку струму, що протікає через нього.

Діоди загального призначення, завдяки здатності прoпускати струм в одному напрямі і не пропускати в протилежному використовують переважно для випрямлення змінного струму. Діоди, призначені для випрямлення змінного струму низької частоти, називають випрямними діодами. Діоди, які призначені для випрямлення змінних струмів високої частоти, називають високочастотними діодами. До діодів загального призначення також належать імпульсні діоди, які використовують в імпульсних та цифрових пристроях.

Діоди спеціального призначення ґрунтуються на використанні особливих фізичних властивостей, які проявляються в p-n – переходах, а саме: явищі електричного пробиття, наявності бар’єрної ємності, тунельному ефекті тощо. До них належать стабілітрони, варикапи, тунельні діоди тощо.

Схемні позначення діодів різного призначення подано на рис. 3.1. Вивід діодів, під’єднаний до p-області, називають анодом, а вивід, під’єднаний до n-області – катодом.

Рис. 3.1. Схемні позначення діодів: загального призначення (а), стабілітронів (б), варикапів (в), тунельних діодів (г)

 

Зауважимо, що ВАХ діодів дещо відрізняються від ВАХ ідеального p-n – переходу. Їхній вигляд залежить від типу напівпрoвідникового матеріалу, площі поперечного перерізу p-n – переходу, концентрації домішок тощо. У разі прямого вмикання діодів істотний вплив на хід характеристики має падіння прикладеної напруги в p- і n-областях, а особливо в базовій області, опір якої R_Б може дорівнювати десяткам Ом. З урахуванням цього пряму гілку ВАХ часто описують формулою:

                                                        ,                                                     (3.1а)

або

                                                                                                   (3.1б)

де u - напруга, прикладена до діода; Io – тепловий струм або зворотний струм насичення; фт – тепловий потенціал p-n – переходу.

Типи напівпровідникових діодів: випрямні, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, варикапи, тунельні.

У разі зворотного вмикання зворотний струм діодів дещо більший від зворотного струму p-n – переходу внаслідок теплової генерації носіїв заряду в самому p-n – переході, а також за рахунок струмів витоку, що виникають на поверхні p-n – переходу. Як приклад на рис. 3.2 подано реальні ВАХ кремнієвого та германієвого діодів, відмінність прямих гілок яких пояснюється різними потенціальними бар’єрами германієвого та кремнієвого p-n – переходів, а зворотних – різними ширинами заборонених зон.

Pис. 3.2.  Bольт-амперні характеристики германієвого та кремнієвого діодів

Випрямні діоди – це діоди, за допомогою яких перетворюють змінний струм електромережі на постійний. До цих діодів не ставлять підвищених вимог стосовно швидкодії, ємностей p-n – переходу і стабільності параметрів. Матеріалом для виготовлення випрямних діодів останнім часом є кремній, оскільки кремнієві діоди завдяки більшій ширині забороненої зони мають значно менші зворотні струми, а також ширший діапазон робочих температур, ніж германієві. Для збільшення напруги пробиття випрямних діодів застосовують випрямні стовпи, які конструктивно складаються з декількох послідовно увімкнених кремнієвих p-n – переходів в одному корпусі.

Основними параметрами випрямних діодів є:

– найбільше допустиме значення випрямленого струму за період I_{вип.макс};

– пряме падіння напруги U_пр на діоді під час протікання через нього заданого випрямленого струму;

– найбільша зворотна напруга U_{зв.макс}, яка може бути тривалий час прикладена до діода в зворотному напрямі без виникнення небезпеки його пробиття;

– найбільший зворотний струм Iзв.макс, який протікає через діод під час прикладення до нього допустимої зворотної напруги;

– найбільша допустима потужність розсіювання P_{розс.макс}, за якої забезпечується нормальне функціонування приладу.

Діоди використовуються для випрямлення змінного струму, модуляції та детектування сигналів, стабілізації напруги електронного керування частотою, генерування змінних сигналів.

Високочастотні діоди  – напівпровідникові прилади універсального призначення, які можуть бути використані для випрямлення, детектування та інших нелінійних перетворень електричних сигналів у діапазоні високих частот. Їх виготовляють на основі звичайних p-n – переходів, гетеропе­реходів або бар’єрів Шотткі.

Найпростіші високочастотні діоди виготовляють точковими з германію або кремнію, що дає змогу отримати ємність p-n – переходу, не більшу, ніж 1 пФ. Проте такі діоди внаслідок малої площі поперечного перерізу p-n – переходу не можна використовувати у схемах, розрахованих на великі струми і напруги.

У надвисокочастотних схемах (десятки – сотні гігагерц) застосовують високочастотні діоди, побудовані на основі бар’єра Шотткі, в яких дифузійна ємність відсутня, а бар’єрна не перевищує 0,1 пФ.

Високочастотні діоди описують аналогічними параметрами, як звичайні випрямні діоди. Додатково для них вказують прохідну ємність C_пр, яка за своєю суттю є статичною ємністю діода, виміряною між його виводами, та найвищу робочу частоту f_макс.

Імпульсні діоди – це напівпровідникові прилади, які призначені для роботи в імпульсних режимах, що використовуються в імпульсних та цифрових схемах. У таких режимах через проміжки часу, що становлять одиниці – частки мікросекунди, діоди перемикаються з відкритого стану в закритий та навпаки. Кожний новий стан діода не може встановлюватись раптово. Причиною цього є ємності електричних переходів, а за високих рівнів інжекції – накопичення та, відповідно, розсмоктування неосновних носіїв зарядів під час перемикань діодів. У зв’язку з цим для імпульсних діодів, виготовлених на основі p-n-переходів, важливими є не тільки малі ємності переходів, але й тривалості перехідних процесів, зумовлені ви­щезгаданими явищами. Для швидкодіючих імпульсних діодів ці тривалості дорівнюють 0,1…10 мкс, а для надшвидкодіючих – 0,1 мкс.

Для побудови швидкодіючих імпульcних діодів з малими тривалостями перехідних процесів використовують гетеропереходи та бар’єри Шотткі, в яких відсутні вищезгадані процеси накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду і тривалості перемикання струмів та напруг визначаються лише бар’єрними ємностями.

Стабілітрони – це напівпровідникові діоди, побудовані на основі звичайних p-n – переходів, принцип роботи яких ґрунтуються на тому, що при зворотному вмиканні p-n – переходу напруга в області електричного пробою у разі значних змін струму залишається майже постійною. У радіоелектронних пристроях ці діоди використовують для стабілізації напруг, як джерела опорних напруг, для обмеження імпульсів тощо. Пробивна напруга p-n – переходу для них є робочою напругою і називається напругою стабілізації. Якщо значення зворотного струму обмежити, щоб електричне пробиття не перейшло в теплове, то стан електричного пробиття переходу можна підтримувати і відтворювати протягом тривалого часу. Як вихідний матеріал для виготовлення стабілітронів використовують кремній, який має ширшу заборонену зону і теплове пробиття настає за значно більших струмів, ніж у германієвих.

Основною характеристикою стабілітрона є ВАХ напівпровідникового діода в області пробиття (рис. 3.3).

Рис. 3.3.  ВАХ напівпровідникового діода в області пробиття

 

До його основних параметрів належать: номінальна напруга стабілізації U_ст.ном, яка відповідає напрузі середньої точки робочої ділянки ВАХ (відрізка АВ); мінімальний та максимально допустимий струми стабілізації: І_ст.min та І_ст.max; диференційний опір стабілітрона r_cт=Du_ст/Di_ст), який відображає нахил робочого відрізка ВАХ; температурний коефіцієнт напруги стабілізації ТК_U, який характеризує відносну зміну напруги стабілізації у разі температури на один градус: ТК_U=(Du_ст/u_ст)/DT^o, якщо i_ст=const. У стабілітронах з низькими u_ст, в яких механізм електричного пробиття тунельний, коефіцієнт TK_U від’ємний, при високих u_ст, в яких механізм пробиття є лавинним, ТК_U додатний.

Варикап в електронних колах використовують як конденсатор, ємність якого можна змінювати, змінюючи напругу, прикладену до нього.

Варикапи – це напівпровідникові діоди, виготовлені на основі p-n – переходів, принцип роботи яких ґрунтується на використанні бар’єрної ємності p-n – переходу при його зворотному вмиканні. Дифузійну ємність, яка є значно більшою, використовувати не можна, оскільки вона проявляється у разі прямого вмикання p-n – переходу, коли його провідність є дуже великою, а отже, добротність такого конденсатора буде дуже малою.

Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика p-n – переходу, яка відображає залежність бар’єрної ємності від зворотної напруги (рис. 3.4).

Рис.3.4.  Вольт-фарадна характеристика p-n – переходу

 

До основних паpаметрів варикапа належать: мінімальна та максимальна ємності С_min і С_max; коефіцієнт перекриття ємності k_c=C_max/C_min, добротність Q_в.

Варикапи широко використовують для електронного настроювання коливальних контурів у високочастотних вузлах радіоапаратури, в генераторах, у модуляторах, у параметричних підсилювачах тощо.

Тунельні діоди – це напівпровідникові діоди, виготовлені на основі p-n – переходів, в яких використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду через p-n – перехід і ВАХ яких має ділянку з від’ємним диференційним опором.

Тунельний діод є нелінійним резистивним елементом, динамічний опір якого за певної напруги стає від’ємним.

Тунельні діоди  виготовляють з таких напівпровідникових матеріалів, які мають підвищену концентрацію домішок. Товщина p-n – переходу стає в сотні разів меншою, ніж у звичайних діодів. Іншим наслідком великої концентрації домішок є те, що носії заряду можуть переходити (тунелювати), з однієї області в іншу без затрат енергії .

За невеликої прямої напруги, прикладеної до тунельного діода, починається тунельний перехід електронів з n-області в p-область і через p-n – перехід потече тунельний струм. За деякого значення прямої напруги на тунельному діоді тунельний струм буде максимальним. Подальше збільшення прямої напруги на діоді призведе до зменшення тунельного струму, оскільки буде зменшуватись кількість електронів, здатних тунелювати з n-області в p-область.

За деякої прямої напруги U_В тунелювання електронів припиниться. У цьому разі струм буде мінімальним і визначатиметься лише переходом носіїв заряду через потенціальний бар’єр, який значно понизився (тобто, як у звичайному діоді, за рахунок інжекції носіїв заряду). З подальшим збільшенням прямої напруги, у зв’язку із зменшенням висоти потенціального бар’єра інжекція носіїв заряду через p-n – перехід, і, відповідно, струм діода, будуть зростати.

За зворотної напруги в тунельному діоді знову виникнуть умови для тунелювання електронів. При збільшенні зворотної напруги тунелювання електронів з p-області в n-область, а також і зворотний струм тунельного діода зростатимуть.

ВАХ тунельного діода показана на рис. 3.5 Її особливістю є те, що вона має спадну ділянку АВ, на якій диференційний опір діода є від’ємним.

 

Рис.3.5.  ВАХ тунельного діода

 

До основних параметрів тунельних діодів належать:

– піковий струм I_П – прямий струм у точці максимуму вольт-амперної характеристики;

– напруга піка U_П – пряма напруга, яка відповідає піко­вому струмові;

– напруга западини U_В – пряма напруга, яка відповідає мінімальному струмові;

– напруга розкривання U_РР – пряма напруга на другій зростаючій гілці при струмі, який дорівнює піковому;

– ємність C_д – сумарна ємність, виміряна між виводами діода.

1.      Важливою перевагою тунельних діодів перед звичайними напівпровідниковими приладами є те, що вони можуть працювати на доволі високих частотах, бо тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво – за 10^-13с. Крім того, в тунельних діодах, що працюють при напругах, за яких спостерігається тунельний ефект, накопичення неосновних носіїв заряду і, відповідно, їхнє розсмоктування відсутні. У зв’язку з цим тунельні діоди можуть працювати на частотах до сотень гігагерц (міліметровий діапазон радіохвиль). Верхня межа частотного діапазону роботи тунельних діодів обмежена лише паразитними параметрами – власною ємністю C_д, основу якої становить бар’єрна ємність p-n – переходу, та індуктивністю L виводів.

2. Біполярні транзистори

Біполярні транзистори – це напівпровідникові прилади з двома p-n – переходами, що взаємодіють, утвореними в кристалі напівпровідника, та трьома виводами. Назва приладу “біполярний” зумовлена тим, що робота транзистора ґрунтується на використанні носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).

Структура біполярного транзистора складається з трьох областей електронної та діркової провідності, які чергуються. Залежно від послідовності розташування цих областей розрізняють біполярні тран­зистори типу n-p-n та типу p-n-p (рис. 3.6). Одна з крайніх областей транзистора називається емітером, середня область – базою, а інша крайня область – колектором; p-n – перехід з боку емітера називають емітерним переходом, а з боку колектора – колекторним.

Емітер, база та колектор відрізняються концентрацією носіїв зарядів та розмірами. В емітері концентрація носіїв зарядів є найбільшою, в базі – найменшою. Емітерний перехід відрізняється значно меншою площею поперечного перерізу, ніж колекторний. Ширина базової області становить одиниці мікрон.

Емітерний та колекторний переходи транзистора залежно від полярностей прикладених до них напруг можна зміщувати як в прямому, так і в зворотному напрямах. Залежно від напрямів вмикання p-n – переходів розрізняють такі режими роботи транзистора:

1) нормальний активний режим – емітерний перехід зміщений у прямому, а колекторний – у зворотному напрямі;

2) режим відтину – обидва переходи транзистора зміщені у зворотному напрямі;

3) режим насичення – обидва переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;

4) інверсний активний режим – колекторний перехід зміщений у пря­мому, а емітерний – у зворотному напрямі.

Основним режимом роботи біполярного транзистора є нормальний активний режим. У цьому режимі транзистор успішно виконує функції керованого активного елемента, тобто може здійснювати підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів.

а                                     б

Рис. 3.6.  Схемні позначення біполярних транзисторів:

типу n-р-n (а); типу р-n-р (б) та полярності зовнішніх напруг

 

На рис. 3.6 подано схемні позначення біполярних транзисторів та вказано полярності зовнішніх напруг, які забезпечують нормальний ак­тивний режим роботи транзисторів, а також показано додатні напрями струмів через зовнішні виводи транзисторів. Зауважимо, що абсолютне значення напруги, прикладеної до колекторного переходу, є більшим від абсолютного значення напруги, прикладеної до емітерного переходу.

Принцип роботи біполярного транзистора. Із структури транзисторів (рис. 3.7) видно, що, по суті, вони є двома напівпровідниковими діодами, які мають спільну базову область, через яку взаємодіють.

У нормальному активному режимі залежність струму від напруги на емітерному переході подібна до залежності струму від напруги звичайного діода, зміщеного прямо, а залежність струму від напруги на колекторному переході аналогічна залежності струму від напруги зворотно зміщеного діода. Проте наявність спільної базової області зумовлює те, що через неї емітерний та колекторний переходи взаємно впливають на роботу один одного. Розглянемо це на прикладі транзистора типу n-p-n, схема вмикання якого подана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. До пояснення принципу біполярного транзистора (типу n-p-n)

За нульової напруги на емітерному переході (u_БЕ = 0) через колекторний перехід, який зміщений у зворотному напрямі, тече тепловий струм І_КБО.

Якщо прикласти до емітерного переходу пряму напругу u_БЕ,  через нього потече струм i_БЕ внаслідок інжекції електронів з емітера в базу та інжекції дірок з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в базі є нижчою, ніж в емітері, то цим процесом можна знехтувати. Ширина бази в біполярних транзисторах достатньо мала, так, що інжектовані електрони до­сягають колекторного переходу, не встигаючи рекомбінувати з дірками бази. Лише невелика частина (близько 1 %) електронів рекомбінує в базі, внаслідок чого виникає струм бази i_Б, який порівняно з іншими струмами транзистора є незначним. Наблизившись до колекторного переходу, електрони потрапляють під вплив сильного електричного поля зворотно зміщеного колекторного переходу, яке для них є прискорювальним. Тому вони втягуються в колекторний перехід і переходять в колекторну область. Відбувається так звана екстракція носіїв зарядів у колектор. Внаслідок цього колекторний струм iK збільшиться на величину i'K, зумовлену електронами, що надійшли в колекторну область.

Значення струму i'K буде дещо меншим від струму емітера, оскільки невелика частина електронів рекомбінувала в базі, тобто:

                                                                  ,                                                                (3.2)

де a – деякий коефіцієнт пропорційності, менший від одиниці (a=0,99...0,999), який називають коефіцієнтом передавання емітерного струму в нормальному активному режимі. Зауважимо, що коефіцієнт a не є величиною сталою, а змінюється зі зміною емітерного струму.

Отже, сумарний струм колектора дорівнюватиме

                                    і_K = I_KБО + aі_Е.                                             (3.3)

За великих емітерних струмів транзистора, для яких І_KБО << i_E, наближено приймають:

                                     і_{K  ≈} aі_E.                                                      (3.4)

Оскільки потік електронів, що рухаються з емітера в колектор, та відповідно емітерний струм в базі розгалужуються на дві частини, то можна записати, що

                                  і_Е = і_К + і_Б.                                                 (3.5)

Часто замість коефіцієнта a використовують коефіцієнт b, який показує, у скільки разів струм колектора більший від струму бази:

 

                       .                             (3.6)

Значення коефіцієнта b для промислових зразків транзисторів лежить у межах 50…300.

Якщо пряму напругу емітерного переходу збільшувати, відповідно зростатиме колекторний струм, тобто пряма напруга емітерного переходу у нормальному активному режимі роботи транзистора керує струмом колектора. Власне на цьому ефекті ґрунтується підсилення електричних сигналів за допомогою транзисторів.

Якщо до обох переходів транзистора прикладено зворотну напругу (режим відтинання), через виводи транзистора протікатимуть лише незначні зворотні струми переходів, близькі до нуля. Транзистор у такому разі вважають закритим.

У разі прикладення до обох переходів прямих напруг настає режим насичення, в якому виникне інжекція електронів з колектора у базу, спрямована назустріч потоку електронів, що рухаються з емітера. В результаті сумарний струм колектора дещо понизиться, а струм бази  зросте.

Статичні ВАХ транзистора. Із викладеного вище випливає, що зовнішні струми біполярного транзистора взаємозв’язані співвідношенням (3.5): і_Е = і_К + і_Б, а напруги між зовнішніми виводами, як бачимо із рис. 3.6, задовольняють умову:

                                  .                                  (3.7)

Розглядаючи біполярний транзистор як триполюсник, можемо стверджувати, що режим роботи транзистора повністю визначають дві будь-які напруги між його зовнішніми виводами та два будь-які струми, що течуть через його зовнішні виводи. Звідси висновок: статичні ВАХ транзистора повинні описувати взаємозв’язок двох довільних напруг між його зовнішніми виводами та двох довільних струмів через його зовнішні виводи.

Із трьох зовнішніх напруг u_КЕ, u_БЕ, u_КБ  та трьох зовнішніх струмів і_Е, і_К, і_Б можна вибрати такі пари:

а) напруг: u_БЕ, u_КЕ;, u_БЕ, u_КБ; u_БК, u_КЕ;

б) струмів: і_Е, і_К; і_Е, і_Б; і_К, і_Б.

Отже, оскільки для кожної пари напруг можна вибрати три різні пари струмів, то існує дев’ять можливих варіантів статичних ВАХ біполярних транзисторів. Звичайно у довідковій літературі подають такі варіанти ВАХ, які найзручніше отримувати експериментально. Такими ВАХ є ті, що описують взаємозв’язок між парою напруг u_БЕ, u_КЕ та парою струмів і_К, і_Б.

 

Рис. 3.8. Схема експериментального зняття ВАХ біполярного транзистора типу n-p-n

Їх часто називають характеристиками транзистора для схеми зі спільним емітером, оскільки для експериментального зняття ВАХ використовують схему, де емітер є спільним виводом для базового та колекторного кіл (див. рис. 3.8).

Графічно ВАХ подають у вигляді двох сімей характеристик, типовий вигляд яких зображено на рис. 3.9.  Характеристики, зображені на рис. 3.9, а, називають вхідними, а зображені на рис. 3.9, б – вихідними, оскільки вхідну керуючу напругу прикладають між базою та емітером, а колекторний струм є вихідним струмом транзистора.

Рис. 3.9.. Статичні ВАХ біполярного транзистора типу n-p-n для схеми зі спільним емітером: вхідні (а) та вихідні (б)

 

Кожна вхідна статична ВАХ транзистора відображає залежність вхідного базового струму і_Б від вхідної напруги U_БЕ за деякого незмінного значення напруги U_КЕ, тобто і_Б = f_вх(u_БЕ) при u_КЕ = const. У разі збільшення напруги u_КЕ  вхідні характеристики зміщуються праворуч внаслідок того, що зміщений у зворотному напрямі колекторний p-n – перехід розширюється, а базова область звужується, і кількість носіїв зарядів, що рекомбінують у базі, і відповідно струм бази зменшуються. Проте вплив напруги U_КЕ на струм і_Б незначний, тому вхідні характеристики розміщені на графіку дуже щільно і часто в довідниках подають лише одну усереднену вхідну характеристику  і_Б = f_вх(u_БЕ).

Кожна вихідна ВАХ відображає залежність вихідного колекторного струму і_К  від напруги u_КЕ за деякого фіксованого значення базового  струму і_Б, тобто і_К = f_вих(u_КЕ) при і_Б = const. У разі збільшення базового струму вихідні характеристики зміщуються вгору, а за фіксованого значення ба­зового струму і_Б колекторний струм і_К дещо зростає із збільшенням напруги u_КЕ, що випливає із описаного вище принципу дії транзистора.

Зауважимо, що аналогічний вигляд мають статичні ВАХ транзисторів типу p-n-p.

Зауважимо, що ВАХ транзистора істотно залежать від температури навколишнього середовища: зі збільшенням температури вхідні характе­ристики зміщуються ліворуч, а вихідні – вгору, що еквівалентно збільшенню струмів транзистора за незмінних зовнішніх напруг.

Статичні ВАХ найчастіше використовують для визначення статичних робочих точок транзисторів під час аналізу електронних схем у режимі постійного струму. Для розв’язання таких задач застосовують відповідні графоаналітичні методи. Крім того, на підставі статичних ВАХ розраховують низькочас­тотні малосигнальні параметри транзисторів у робочій точці, про що йтиметься далі.

3. Тиристори

Тиристорами називають багатошарові напівпровідникові прилади з трьома і більше p-n – переходами, які характеризуються двома стійкими станами: відкритим та закритим, і можуть перемикатися з одного стану в інший.

Класичні тиристори мають чотиришарову структуру, розділену трьома p-n – переходами (рис. 3.10). Крайні області p₁ та n₂ цих тиристорів називають емітерами, а виводи від цих областей – відповідно,  анодом (А) та катодом (К).

Рис.3.10.  Структура класичного тиристора

 

Внутрішні області n₁ та p₂ називають базами. Крайні p-n-переходи П₁ та П₃ називають емітерними, а внутрішній p-n – перехід П₂ – колекторним.

За кількістю зовнішніх виводів тиристори поділяють на діодні, тріодні і тетродні. Діодні тиристори мають два зовнішні  виводи: анод і катод. У тріодних тиристорів є три виводи: анод, катод і керуючий електрод (КЕ), який під'єднаний до однієї з баз. Тетродні тиристори мають чотири виводи, два – під’єднані до баз, які є керуючими. Крім них, існує група симетричних діодних та тріодних тиристорів, які здатні пере­микатись із закритого стану у відкритий та навпаки як в прямому, так і у зворотному напрямах. Їх називають симісторами. Схемні позначення тиристорів подано на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схемні позначення тиристорів: діодних (а); тріодних (б); тетродних (в); симетричних діодних (г); симетричних тріодних (д)

Діодні тиристори, або диністори – це напівпровідникові прилади з чотирма p- і n-областями, розділеними трьома p-n – переходами, які мають два виводи: анод і катод. Структура цих тиристорів аналогічна структурі, показаній на рис. 3.10.

У разі подання на діодний тиристор прямої напруги (плюс до анода і мінус до катода) переходи П₁ та П₃ змістяться у прямому напрямі, а колекторний перехід П₂ – у зворотному. Практично вся прикладена напруга буде зосереджена на зворотно зміщеному колекторному переході, а падіння напруг на прямо зміщених емітерних переходах буде незначним.

Струм тиристора за такого вмикання буде визначатися носіями зарядів, що інжектовані через прямозміщені емітерні переходи, які, дифундуючи через бази, наближатимуться з обох боків до колекторного переходу. Внутрішнє електричне поле цього переходу є для них прискорювальним, і вони перетягуватимуться цим полем в сусідні області (бази), де поповнять кількість основних носіїв зарядів, що збільшуватиме електропровідність баз та зменшуватиме потенціальні бар’єри p-n – переходів, які прилягають до них. До певного значення прикладеної напруги ці потоки носіїв зарядів та відповідно струм тиристора будуть незначними через те, що колекторний перехід залишається зміщеним у зворотному напрямі.

Проте у разі збільшення прямої напруги колекторний перехід розширюється і напруженість його електричного поля зростає. Коли напруга досягне певного значення U_ВМК, у колекторному переході виникає ударна іонізація, яка спричинить лавинне розмноження носіїв зарядів (лавинний електричний пробій колекторного переходу). Утворені електрони перекидатимуться в базу n₁, а дірки в базу p₂. Струм тиристора збільшиться. Перехід П₂ внаслідок зменшення потенціального бар’єра через накопичення основних носіїв зарядів у базах зміститься прямо і його опір та відповідно падіння напруги на ньому зменшаться. Все це призведе до підвищення напруг на емітерних переходах та збільшення інжекції носіїв зарядів і спричинить подальше зростання струму тиристора. Описаний процес відбувається лавиноподібно.

Рис. 3.11а. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора

 

Внаслідок цього струм тиристора різко зростає, а напруга зменшується і на вольт-амперній характеристиці (рис.3.11, а) виникає ділянка АВ, на якій диференційний опір від'ємний.

Діодний тиристор переходить із закритого стану (ділянка ОА) у відкритий (ділянка ВС). У відкритому стані залежність струму тиристора від напруги така сама, як для звичайних прямозміщених p-n – переходів.

Для вимикання діодного тиристора (переведення його з відкритого стану у закритий) необхідно зменшити прямий струм до значення, нижчого, ніж мінімальний струм I_утр, який утримує тиристор у відкритому стані. Вимикати диністор можна також зміною полярності прикладеної напруги. У разі прикладання зворотної напруги діодний тиристор буде закритим, оскільки переходи П₁ та П₃ будуть під зворотною напругою.

До основних параметрів діодного тиристора належать:

– напруга вмикання U_вмк – напруга, за якої струм диністора починає різко зростати;

– струм вмикання I_вмк – струм, який протікає через диністор при напрузі вмикання;

–        струм утримування I_утр – мінімальний прямий струм, за якого диністор залишається у відкритому стані;

– максимально допустимий прямий струм I_макс;

– максимально допустима зворотна напруга U_{зв. макс} – максимально допустиме значення зворотної напруги, яку можна тривалий час прикладати до приладу і це не призведе до його пробиття;

– час вмикання t_вмк – час з моменту подання відкриваючого імпульсу і до моменту, коли напруга на диністорі зменшиться до 0,1 від початкового значення;

– час вимикання t_вимик – мінімальний час, протягом якого треба подавати запираючу напругу для переведення диністора з відкритого стану в закритий;

– максимальна потужність розсіювання P_макс.

Тріодні тиристори, або триністори, мають таку саму структуру, як діодні, проте у них є додатковий третій електрод, під’єднаний до однієї з баз, який називають керуючим.

У разі подання на цей електрод зовнішньої напруги, прямої для найближчого емітерного переходу, збільшиться струм цього переходу на величину струму керуючого електрода I_КЕ, що призведе до зростання колекторного струму і лавинного розмноження носіїв зарядів (електричного пробою колекторного переходу) за менших напруг, прикладених між анодом і катодом. Отже, змінюючи струм через один з емітерних переходів за допомогою струму керуючого електрода, можна змінювати напругу вмикання тиристора.

Рис. 3.12.  Схеми вмикання тріодного тиристора:
 з керуванням по катоду (а); з керуванням по аноду (б)

 

Полярність напруги, яку подають на керуючий електрод, залежить від того, до якої базової області він приєднаний. Якщо керуючий електрод приєднаний до p-бази (рис. 3.12, а), то тиристор переводиться у відкритий стан під час подання на цей електрод додатної напруги стосовно катода. У цьому разі тиристор називають тріодним тиристором з керуванням по катоду.

У разі приєднання керуючого електрода  до n-бази (рис.3.12, б) перемикання тиристора у відкритий стан відбувається у разі подання на цей електрод від’ємної напруги стосовно анода. У цьому разі тиристор називають тріодним тиристором з керуванням по аноду.

Рис. 3.13.  Типовий вигляд ВАХ тріодного тиристора

Типовий вигляд статичних ВАХ тріодного тиристора з керуванням по катоду зображений на рис. 3.13.  Перемикати тріодний тиристор можна зменшенням струму анода або поданням в коло керуючого електрода нап­руги протилежної полярності.

Тріодні тиристори характеризуються такими самими параметрами, як і діодні. Додаються лише параметри, які ха­рактеризують керуюче коло, а саме:

– струм відкривання I_відкр – найменший струм керуючого електрода, необхідний для вмикання тиристора;

– запираюча напруга на керуючому електроді U_зап – напруга, яка забезпечує необхідне значення струму керуючого  електрода, за якого тиристор вимикається.

Діодний симетричний тиристор, або діак – це напівпровідниковий прилад, який складається з п'яти n- і p-областей, розділених чотирма p-n – переходами, і має два виводи. Структура діака подана на рис. 3.14, а.

Рис. 3.14. Структура діодного симетричного тиристора (а), його еквівалент (б), складений з двох паралельно увімкнених діодних тиристорів, та його статична ВАХ (в)

Під час прикладання до такого тиристора напруги мінусом до верхнього виводу і плюсом – до нижнього працює ліва по­ловина приладу (напрям руху електронів вказано стрілкою). При оберненій полярності, показаній знаками в дужках, працює права половина приладу. Отже, роль симетричного тиристора можуть виконувати два звичайні діодні тиристори, увімкнені паралельно і назустріч один одному (рис. 3.14, б). Статична ВАХ діака подана на рис. 3.14, в.

Тріодний симетричний тиристор, або тріак складається з шести p- і n-областей, розділених п'ятьма p-n – переходами. Структура одного з типів таких тиристорів зображена на рис. 3.15, а.

Рис. 3.15. Структура  симетричного тріодного тиристора (а) та його еквівалент (б), складений з двох паралельно увімкнених діодних тиристорів

У цій структурі умовно можна виділити два тріодні тиристори (рис. 3.15, б), увімкнені паралельно назустріч один одному, один з яких (правий) має додатковий p-n – перехід. При прямому вмиканні, тобто у разі прикладання зовнішньої напруги плюсом до верхнього виводу і мінусом до нижнього працюватиме тріодний тиристор з p-n – переходами П₂, П₃, П₄ та з додатковим переходом П₅, який буде при цьому закритим. Керують перемиканням тиристора із закритого стану у відкритий, подаючи на керуючий електрод імпульсу додатну напругу стосовно верхнього виводу, який у такому разі є анодом. На додатковому переході П₅ з’явиться пряма напруга і через нього відбуватиметься додаткова інжекція електронів у p-область та їхній дифузійний рух через цю область до переходу П₂, електричне поле якого прискорює їх.

У результаті ці носії заряду перейдуть у сусідню n-область, де стануть основними. Це призведе до пониження потенціального бар’єра на переході П₂ та відповідно до додаткового зростання інжекції дірок з p-області в n-область, що дасть змогу тиристору перемикатися із закритого стану у відкритий за менших напруг, прикладених між основними виводами.

У разі зміни полярності напруги між основними виводами працюватиме тріодний тиристор з p-n – переходами П₁, П₂, П₃ та керуючим електродом, приєднаним до p-бази, який є звичайним тріодним тиристором з керуванням по катоду.

Сім’я статичних ВАХ симетричного тріодного тиристора подана на рис. 3.16.

Рис. 3.16. ВАХ симетричного тріодного тиристора

 

Симетричні діодні та тріодні тиристори характеризуються параметрами, подібними до параметрів звичайних діодних та тріодних тиристорів.

4. Польові транзистори

Польовими транзисторами називають напівпровідникові прилади, виготовлені на основі напівпровідників одного типу електропровідності, керування струмом в яких здійснюють за допомогою електричного поля, прикладеного перпендикулярно до напряму протікання струму.

Їхня узагальнена структура подана на рис. 3.17.

Рис.3.17. Узагальнена структура польового транзистора: кристал напівпровідника n- або p- типу (1); керуюче електричне поле (2)

Область транзистора, по якій протікає струм, називають каналом. Виводи від протилежних боків каналу називають відповідно витоком (В) та стоком (С). Під витоком розуміють вивід, від якого розпочинається рух основних носіїв заряду по каналу. Стоком називають вивід, до якого руха­ються основні носії заряду.

Керування струмом, який протікає в каналі, здійснюють за допомогою випрямних електричних переходів, утворених в каналі, або за допомогою структури метал–діелектрик–напівпровідник (МДН), утвореної на поверхні каналу. Вивід від випрямного переходу або від МДН-структури називають затвором (З).

Польові транзистори, в яких використовують перший спосіб керування струмом, називають польовими транзисторами з керуючим переходом. Польові транзистори, в яких застосовують другий спосіб керування струмом, називають польовими транзисторами з ізольованим затвором, або просто МДН-транзисторами. Оскільки в МДН-структурі як діелектрик використо­вують окисел кремнію, що утворений на поверхні ка­налу, то існує ще одна назва МДН-транзисторів – МОН-транзистори (МОН  –  абревіатура словосполучення метал–окисел–напівпровідник).

 

Таблиця 3.1

Схемні позначення польових транзисторів

Примітка: літерою П позначають вивід від підкладки транзистора.

Канал МДН-транзисторів може бути сформований під час виготовлення транзистора або утворюватись (індукуватись) при прикладанні до затвора відповідної напруги. У зв’язку з цим МДН-транзистори поділяють на МДН-транзистори з вбудованим каналом та МДН-транзистори з індукованим каналом. Схемні позначення польових транзисторів подано в табл.3.1.

 

4.1. Польові транзистори з керуючим p-n – переходом 

Роль керуючого переходу може виконувати звичайний p-n – перехід, гетеро­перехід або бар’єр Шотткі. Найпоширенішими є польові транзистори з керуючим p-n – переходом (рис. 3.18), сформовані на основі кремнію.

Рис.3.18. Структура польового транзистора з керуючим p-n переходом та каналом n-типу

Робочим режимом польового транзистора з керуючими p-n – переходом є такий режим, за якого керуючий p-n – перехід зміщений у зворотному напрямі, тобто коли між затвором і витоком подається напруга, яка є зворотною для p-n – переходу. Принцип дії транзистора полягає в тому, що під час зміни зворотної напруги на керуючому p-n – переході змінюється ширина каналу, що зумовлює зміну його опору та, відповідно, струму, який протікає по ньому. Зокрема, у разі збільшення зворотної напруги p-n – переходу поперечний переріз каналу, його електропровідність та значення струму будуть зменшуватися, а у разі зменшення зворотної нап­руги – зростатимуть. Напругу між затвором і витоком, за якої транзистор закривається і його струм і_с наближається до нуля, називають напругою відтину  u_{ЗВ. відт}.

Залежність струму транзистора i_c від напруги u_ЗВ, прикладеної між за­твором і витоком, за деякої заданої напруги u_СВ = const називають переда­вальною або стокозатворною статичною ВАХ польового транзистора. Її типовий вигляд зображено на рис. 3.19, а.

Рис. 3.19. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні вольт-амперні характеристики польового транзистора  з керуючим p-n – переходом

Залежності струму стоку i_С від напруги u_СВ, прикладеної між стоком і витоком, за різних значень напруги u_зв, ма­ють типовий вигляд, зображений на рис. 3.19, б. Ці залежності називають вихідними статичними, або стоковими ВАХ.

На підставі стокових характеристик бачимо, що струм i_С із збільшенням напруги u_СВ спочатку доволі швидко зростає, а відтак його наростання майже зовсім припиняється. Це пояснюється тим, що за малих напруг u_СВ транзистор веде себе подібно до резистора: збільшення напруги u_СВ викликає майже лінійне наростання струму i_С. У разі подальшого збільшення напруги u_СВ канал в області стоку настільки звузиться, що зростання струму i_С із збільшенням напруги u_СВ майже припиняється – настає насичення. Горизонтальні ділянки стокових характеристик (ді­лянки насичення) є робочими ділянками польового транзистора.

За великих напруг u_СВ у транзисторі може виникати електричне пробиття керуючого p-n – переходу біля стоку. Значення  напруги u_СВ, за якої відбувається пробиття, залежить від напруги u_ЗВ, оскільки зворотна напруга на керуючому p-n – переході біля стоку дорівнює u_ЗВ + u_СВ. Отже, чим більше значення напруги u_ЗВ, тим за меншої напруги u_СВ настане пробиття.

Зміщення вихід­них ВАХ транзистора вниз зі збільшенням напруги u_ЗВ, пояснюється тим, що керуючий p-n – перехід розширюється (поперечний переріз каналу звужується), що приводить до зменшення струму, який протікає через транзистор.

Затворну (вхідну) характеристику звичайно не використовують, ос­кільки керуючий перехід закритий і струм затвора дуже малий (i_З=10 ⁸…10 ^–9А), тому часто його не враховують.

Рис. 3.20. Полярності зовнішних напруг польових транзисторів  з керуючим  p-n – переходом: n-канальних (а) та p-канальних (б)

 

На рис. 3.20 подано полярності зовнішних напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів, які забезпечують нормальний режим роботи.

 

4.2. МДН-транзистори із вбудованим каналом 

МДН-транзистори із вбудованим каналом виготовляють у кристалі високоомного напівпровідника, який називають підкладкою. У підкладці дифузією акцепторних домішок утворюють дві локальні області n⁺ з підвищеною концентрацією домішок, які слугуватимуть витоком і стоком. Відстань між цими областями 5...50 мкм. Між областями витоку і стоку формують тонкий приповерхневий шар такого самого типу елект­ропровідності, як локальні області, який слугуватиме каналом. На поверхні каналу утворюють діелектричну плівку з окислу кремнію (SiO₂). Зверху на діелектрик навпроти каналу наносять металевий шар, який слугуватиме затвором. За допомогою таких самих металевих шарів, нанесених безпосередньо на області n⁺, утворюють площини, до яких приварюють виводи витоку і стоку. Знизу від підкладки також формують вивід (П).

Для прикладу на рис. 3.21 подана типова структура МДН-транзистора із вбудованим n-каналом на підкладці p-типу.

Рис.3.21. Структура МДН-транзистора з вбудованим n-каналом

 

Ізоляція транзистора від підкладки здійснюється за допомогою зворотнозміщеного p-n – переходу, утвореного між структурою транзистора та підкладкою. Для цього на вивід підкладки подають напругу відповідної полярності або з’єднують його з витоком.

У разі прикладання між стоком і витоком деякої напруги u_СВ в каналі МДН-транзистора потече cтрум i_С. Керування струмом здійснюється напругою u_ЗВ, яку подають між затвором і витоком. При додатній напрузі на затворі стосовно витоку електричне поле, утворене цією напругою, втягує з підкладки в канал додаткові електрони, збагачуючи його основними носіями заряду, і струм в каналі зростає. За від’ємної напрузи на затворі електричне поле виштовхує електрони з каналу в підкладку, збіднюючи канал на основні носії заряду, внас­лідок чого струм i_С зменшується. За достатньо великої від’ємної напруги на затворі концентрація електронів у каналі стає настільки малою, що струм i_С прямує до нуля. Таку напругу затвора називають напругою відтинання і позначають U_{ЗВ. відт}. Отже, змінюючи напругу u_ЗВ, можна змінювати провідність каналу та, відповідно, струм, що протікає в ньому. Зауважимо, що в МДН-транзисторах із вбудованим каналом змінюється не поперечний переріз каналу, а концентрація основних носіїв заряду в ньому і для керування струмом можна подавати на затвор як додатну, так і від’ємну напругу.

Залежність струму стоку i_С від напруги u_ЗВ для деякого фіксованого значення u_СВ = const називають передавальною або стокозатворною харак­теристикою, як для польового транзистора з керуючим p-n – переходом. Типовий вигляд цієї характеристики подано на рис. 3.22, а.

Рис. 3.22. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні ВАХ  МДН-транзистора із вбудованим каналом

Рис. 3.23.  Полярності зовнішних напруг польових танзисторів
 з вбудованим кана­лом: n-канальних (а) та p-канальних (б)

 

Вихідні (стокові) ВАХ МДН-транзистора із вбудованим каналом мають типовий вигляд, зображений на рис. 3.22, б, звідки бачимо, що вони подібні до вихідних ВАХ польового транзистора з керуючим p-n – переходом, проте напруга u_ЗВ може набувати як додатні, так і від’ємні значення. Якщо між стоком і витоком прикласти надто велику напругу, може виникнути пробиття ізолюючого p-n – переходу під стоком або пробиття діелектрика під затвором. На рис. 3.23 подано полярності зовнішніх напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів із вбудованим каналом у нормальному робочому режимі.

 

4.3. МДН-транзистор з індукованим каналом 

МДН-транзистор з індукованим каналом відрізняється від по­переднього транзистора тим, що канал між облас­тями витоку і стоку під час виготов­лення не створюється. На рис. 3.47 зображена структура МДН-транзистора з індукованим n-ка­налом, виконаного на підкладці p-типу.

Рис.3.24. Структура МДН-транзистора з індуктивним n-каналом

 

За нульової напруги між затвором та витоком струм стоку буде дуже малим. Подання на затвор від’ємної напруги стосовно витоку також картини не змінить. При поданні на затвор стосовно витоку невеликої додатної напруги електричне поле, яке виникає під затвором, виштовхує дірки з приповерхневого шару в глибину підкладки і притягує електрони до поверхні. Внаслідок цього біля поверхні підкладки під затвором виникає шар з електронною провідністю, який і буде каналом між витоком і стоком. Нижче від каналу утворюється шар від’ємних нерухомих зарядів з іонізованих атомів акцепторних домішок підкладки, збіднений на носії заряду, який стає свого роду ізолятором між каналом і підкладкою.

Напругу між затвором і витоком, за якої електропровідність приповерхневого шару підкладки стає електронною, тобто за якої утворюється канал, називають пороговою напругою і позначають U_{ЗВ. пор}.

У разі подальшого збільшення додатної напруги u_ЗВ в утвореному каналі розпочнеться рух основних носіїв заряду (елект­ронів) від витоку до стоку, тобто потече електричний струм.

Значення струму  буде тим більшим, чим більша додатна напруга u_ЗВ, прикладена між затвором і витоком. Залежність струму стоку i_С від напруги затвор-витік u_ЗВ називають стокозатворною статичною ВАХ МДН-транзистора з індукованим каналом. Її типовий вигляд зображено на рис. 3.25, а.

Рис. 3.25. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні  ВАХ  МДН-транзистора з індукованим каналом n-типу

 

Залежності струму стоку i_С від напруги u_СВ, прикладеної між стоком і витоком, при різних значеннях напруги u_ЗВ зображено на рис. 3.25, б. Ці  залежності подібні  до стокових ВАХ лише за додатних напруг u_ЗВ, більших від U_{ЗВ. пор}. Із збільшенням напруги u_СВ ізолюючий шар від’ємних іонів, який формується під каналом, у напрямі стоку розширюється, а канал відповідно звужується, внаслідок чого настає режим насичення, як і у польових транзисторів з керуючим p-n – переходом чи з вбудованим каналом. У разі прикладання між стоком і витоком надто великої напруги u_СВ може виникнути пробиття ізолюючого p-n – переходу в області стоку транзистора.

Рис. 3.26. Полярності зовнішних напруг польових транзисторів
з індукованим каналом: n-канальних (а)  та p-канальних (б)

 

На рис 3.26 подано полярності зовнішніх напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів з індукованим каналом у нормальному робочому режимі.

5. Електровакуумні лампи

Електронна емісія. Електровакуумний діод

 Електровакуумна лампа – електронний електровакуумний прилад, призначений для перетворень електричних величин (випрямлення змінного струму, модуляції, детектування, підсилення тощо).

Принцип дії електровакуумних ламп ґрунтується на фізичних явищах, пов’язаних з рухом вільних електронів у вакуумі. Електронні лампи використовують явище термоелектронної емісії – випромінювання електронів з поверхні спеціального електрода під час його нагрівання. Такий електрод називають катодом. Під дією тепла деякі електрони набувають енергії, достатньої для виходу електрона з металу, і покидають катод. Емісійну здатність катода можна збільшити, створюючи на його металевій поверхні тонку плівку іншого металу, який має меншу роботу виходу. Такі катоди називають активованими.

За способом розжарення розрізняють катоди прямого розжарення і пі­дігрівні, які підігрівають за допомогою нитки розжарення, яка проходить всередині керамічної трубки, на якій і розміщено катод у вигляді металевого циліндра. Завдяки високій тепловій інерції для розжарення катода застосовують як змінний, так і постійний струми.

В електронних лампах, крім катода, що випромінює електрони, завжди наявний другий електрод – анод. Анод збирає електрони, якщо до нього прикладають додатний потенціал стосовно катода.

Цю напругу називають анодною. Вона змушує електрони рухатися від катода до анода.

З метою забезпечення вільного руху електронів від катода до анода ці два електроди вставляють в скляний або металевий балон, в якому ство­рюють вакуум. Такий компонент утворює двоелектродну електронну лампу – діод.

На рис. 3.27 подано умовні графічні позначення діодів з двома типами катодів і вказано умовні додатні напрями струмів та напруг, де буквами А, К і Р позначено, відповідно, анод, катод діода та нитка розжарення.

 

Рис.3.27. Умовні графічні позначення діодів з двома типами катодів

 

Основною електричною характеристикою діода є його вольт-амперна характеристика (ВАХ) i_a = f(u_ак), знята за номінальних напруги та струмові розжарення (рис. 3.28).

Рис.3.28. Вольт-амперна характеристика діода

 

Часто під час розрахунків використовують як основний параметр діода крутість його ВАХ на лінійній ділянці, яку визначають за формулою: , або внутрішній опір

Діапазон значень крутості, як правило, лежить у межах 0,5 – 6 мА/В.

За призначенням електровакуумні діоди поділяють на дві основні групи:

1) випрямні – кенотрони (призначені для випрямлення змінного струму у джерелах живлення). Крім параметрів S чи R_i, їх характеризують додатковими параметрами: допустимою потужністю розсіювання на аноді Р_{а доп} та максимально допустимою зворотною напругою анода U_{а зв};

2) високочастотні (призначені для використання при перетвореннях слабких сигналів в області високих частот). Їхнім важливим параметром є між­електродна ємність С_ак між анодом і катодом.

Великою перевагою електровакуумного діода перед на­півпровідниковим є відсутність зворотного струму діода. Елект­ровакуумний діод порівняно з напівпровідниковим має і недоліки, а саме: значно більші розміри; необхідність джерела живлення для розжарення катода і забезпечення термоелектронної емісії; більший опір діода у прямому вмиканні.

 

5.2. Електровакуумний тріод

Тріод – триелектродна лампа, між катодом і анодом якої розміщений третій електрод – сітка, призначена для керування анодним струмом для  отримання підсилювального ефекту. На сітку подають від’ємний потенціал відносно катода, тому її струм дорівнює нулеві. Сіткова напруга впливає сильніше на анодний струм ніж анодна, оскільки сітка розміщена ближче до катода і, отже, зумовлює більші значення напруженості електричного поля.

Анодний струм тріода залежить від напруги на аноді  і  від напруги на сітці:

                                                                 i_a = f(u_cк; u_aк),                                                            (3.28)

де i_a – анодний струм; u_cк –  напруга між сіткою і катодом; u_ак – напруга між анодом і катодом.

Залежність (3.28) графічно подають у вигляді двох варіантів сімей ВАХ:

а) анодно-сіткових характеристик, кожна з яких є залежністю анодного струму тріода і_а від  напруги u_ск на сітці за заданої напруги u_ак на аноді:

                                                       i_a = f₁(u_ск) при u_ак = const;                                                (3.29а)

б) анодних характеристик, кожна з яких – це залежність анодного струму і_а  від анодної напруги u_ак за заданих  значень напруги u_ск на сітці:

                                                       i_a = f₂(u_ак) при u_cк = const.                                                (3.29б)

На рис. 3.29 подано умовне графічне позначення електровакуумного тріода з вказаними додатними напрямами струмів та напруг, а також сім’ї його анодно-сіткових та анодних характеристик.

Рис. 3.29. Умовне графічне позначення електровакуумного тріода (а) і його анодно-сіткові (б) та анодні (в) характеристики

 

З рис.3.29, а бачимо, що для електровакуумного тріода як триполюсника, з урахуванням вказаних додатних напрямів струмів та напруг, справедливі такі співвідношення між його зовнішними струмами та напругами:

                                                      i_a = f₂(u_ак), при u_cк = const;                                                (3.30а)

                                                                     і_а + і_с = і_к                                                              (3.30б)

                                                                 u_ак = u_ас + u_ск.                                                            (3.31)

Примітка: оскільки в нормальному робочому режимі електро­вакуумного тріода напруга u_ск <0, то струм сітки і_с =0 і, отже, з (3.30б) випливає: і_а = і_к.

Статичний режим роботи тріода повністю описується двома постійними напругами (u_ск та u_ак) і двома постійними струмами (i_с та i_а):

                                                           ;                                                      (3.32)

                                                              .                                                         (3.33)

Для малих приростів струмів та напруг тріода стосовно статичного режиму можемо записати на підставі (3.32) та (3.33):

                                                                      Di_c = 0;                                                                 (3.34)

                                                           (3.35)

Отже, малосигнальними параметрами тріода є:

– крутість анодно-сіткової характеристики в робочій точці:

                                                     при  u_ак= const;                                                 (3.36)

– вихідний диференційний опір у робочій точці:

                                                         при u_ск=const.                                                 (3.37)

 

Часто використовують малосигнальний параметр тріода, який є похідним від двох попередніх, – статичний коефіцієнт підсилення в робочій точці:

                                                          при  і_а= const.                                                           

Цей параметр показує, наскільки сильніше впливає на анодний струм сіткова напруга порівняно з анодною напругою. Зауважимо, що для забезпечення незмінного значення анoдного струму прирости напруг Du_ск та Du_ак треба вибирати з різними знаками. Неважко встановити взаємозв’язок між значеннями параметрів S, R_i, m:

                                                  .                                             (3.38)

Знак “мінус” у (3.38) враховує те, що прирости напруг du_ск та du_ак мають різні знаки. Інколи замість параметра m використовують обернену величину D=1/m, яку називають проникністю тріода.

Окрім вакуумних діодів і тріодів є ще електронні лампи з додатковими сітками, такі, як тетроди, пентоди, гексоди, гептоди. Також іноді в одному балоні можуть розміщуватись дві окремі електронні лампи.

6. Основні відомості про інтегральні мікросхеми

Класифікація інтегральних мікросхем 

Використання електронних пристроїв для розв'язання найскладніших задач призводить до постійного ускладнення їхніх електронних схем. Аналіз розвитку електронної техніки показує, що упродовж десяти  років складність електронних пристроїв збільшується приблизно вдесятеро. Якщо десять років тому використовували електронні пристрої з кількістю активних елементів до 10⁷, то сьогодні є електронні пристрої з кількістю елементів близько 10⁸. За той самий час істотно зросла швидкодія електронних пристроїв, зменшились їхні габарити, зокрема, і напівпровідникових приладів. Розміри одного активного елемента зменшились до 0,2 мкм, що дає змогу розміщувати в одній  мікросхемі 10⁶–10⁷ елементів. Створення но­вих електронних пристроїв з великою кількістю елементів стало можливим на базі мікроелектроніки та наноелектроніки. Це новий напрям електроніки, який охоплює проблеми створення мікромініатюрних електронних пристроїв, що відрізняються надійністю, низькою вартістю, високою швидкодією і малою споживаною потужністю. Основним конструктивно-технічним принципом мікроелектроніки є елементна інтеграція – об’єднання в одному складному мініатюрному компоненті багатьох найпростіших елементів (діодів,  транзисторів, резисторів тощо). Отриманий в результаті такого об’єднання складний мікрокомпонент називають інтегральною мікросхемою (ІМС).

Інтегральна мікросхема – мікроелектронний виріб, до складу якого входить не менше ніж п’ять активних елементів (транзисторів, діодів) і пасивних елементів (резисторів, конденсаторів), які виготовляють в одному технологічному процесі. Ці елементи  електрично з’єднані між собою, вміщені в загальний корпус і є нероздільним цілим.

З погляду інтеграції основними параметрами ІМС є щільність упакування і ступінь інтеграції. Щільність упаку­вання характеризується кількістю елементів в одиниці об’єму ІМС, ступінь інтеграції – кількістю елементів, які входять до складу ІМС.  За ступенем інтеграції всі ІМС поділяють на: ІМС першого ступеня інтеграції – до 10 елементів, другого ступеня – від 10 до 100 елементів, третього ступеня – від 100 до 1000 елементів і т.д.

За технологією виготовлення розрізняють напівпровідникові і гібридні ІМС.

Напівпровідникова ІМС – інтегральна мікросхема, всі елементи і міжелектродні з’єднання якої виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідника.

Щільність упакування сучасних напівпровідникових ІМС сягає 10⁵ елементів на 1 см³ для шостого ступеня інтеграції. Лінійні розміри окремих елементів і відстані між ними можуть бути зменшені до 1 мкм.

Аналіз тенденції розвитку мікроелектроніки показав, що складність найбільших напівпровідникових ІМС збільшується приблизно вдвічі за рік.

Гібридна ІМС  – інтегральна мікросхема, пасивні елементи якої виконані нанесенням різних плівок на поверхню діелектричної підкладки зі скла, кераміки, сіталу або сапфіру, активними ж елементами є безкорпусні напівпровідникові прилади.

Щільність упакування гібридних ІМС  дещо менша – до 150 елементів на 1 см³, ступінь інтеграції – перший і другий. Гібридні ІМС перспективні для пристроїв з невеликою кількістю елементів, в яких може бути забезпечена висока точність параметрів.

Висока точність виконання плівкових елементів може бути використана під час виготовлення мікросхем за суміщеною технологією, в якій активні і частину пасивних елементів виконують в об’ємі напівпровідника, а іншу частину пасивних елементів – на його поверхні в тонкоплівковому виконанні.  Застосування двох технологій підвищує вартість таких ІМС, проте дає змогу істотно збільшити точність їхніх параметрів.

Останнім часом застосовують суміщену технологію, за якою в гібридних мікросхемах як навісні компоненти використовують безкорпусні напівпровідникові ІМС. За такою технологією виготовляють мікросхеми до шостого ступеня інтеграції для швидкодіючих ЕОМ.

Застосування мікросхем істотно збільшує надійність електронних пристроїв, тому що надійність мікросхем загалом, до складу яких входить велика кількість елементів, не поступається надійності окремих транзисторів, діодів, резисторів.

На відміну від напівпровідникових діодів і транзисторів, ІМС є не окремими елементами, а цілими функціональними вузлами, призначеними для перетворення електричних сигна­лів. Залежно від типу сигналів, які формують та перетворюють ІМС, розрізняють два класи ІМС: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС призначені для оброблення та перетворення аналогових сигналів і реалізують такі основні аналогові функції: підсилення, порівняння, перемноження, обмеження, частотну фільтрацію. Кожна із названих функцій є відповідною математичною операцією, яку здійснюють ІМС над аналоговими сигналами:

– функція підсилення – це збільшення миттєвих значень сигналу в К разів без  нелінійних спотворень у необмеженій смузі частот;

– функція порівняння – це  зіставлення двох аналогових сигналів з деякою заданою точністю;

– функція перемноження дає змогу отримати результат перемноження двох аналогових сигналів;

– функція обмеження встановлює межі допустимих змін миттєвих значень сигналу, які він не може перейти. Розрізняють обмеження зверху, знизу та двостороннє обмеження;

– функція частотної фільтрації – це виділення потрібного діапазону частот із повного спектра сигналу, в якому здійснюється передавання його гармонік.

Перелічені основні аналогові функції утворюють у сукупності повний набір операцій, необхідних для перетворення та оброблення аналогових сигналів. Аналогові ІМС виготовляють переважно у вигляді напівпровідникових ІМС та великих інтегральних мікросхем (ВІС).

Цифрові ІМС призначені для оброблення та перетворення цифрових сигналів і реалізують логічні та арифметичні  операції та операції запам’ятовування цифрової інформації. При цьому звичайно використовують двійкову систему числення. Двійкова система порівняно з іншими системами дає змогу найпростіше реалізувати арифметичні дії.

Основою будови цифрових ІМС є так звані логічні елементи, тобто електронні схеми, які виконують найпростіші логічні операції, до яких належать:

– операція логічного заперечення (інверсія) – функція “НЕ”;

– операція логічного додавання (диз’юнкція) – функція “АБО”;

– операція логічного множення (кон’юнкція) – функція “І”.

Ці елементарні логічні функції утворюють так званий основний логічний базис. З їхньою допомогою можна реалізувати будь-яку складну логічну функцію. Інтегральні логічні елементи становлять основу  складніших мікросхем та цифрових пристроїв і систем. Найпоширенішими є цифрові ІМС на біполярних та МДН-транзисторах.

 

6.2. Номенклатура інтегральних мікросхем

 

Під номенклатурою ІМС розуміють перелік різновидів мікросхем, які відрізняються за функціональним призначенням, параметрами, конструктивно-технологічними характеристиками.

 

6.2.1. Номенклатура аналогових ІМС

Основу номенклатури аналогових мікросхем утворюють ІМС, які реалізують основні та спеціальні аналогові функції. Залежно від реалізованої ана­логової функції розрізняють такі основні типи аналогових ІМС: багатоцільові підсилювачі, операційні підсилювачі, компаратори напруги, обмежувачі, перемножувачі, активні та пасивні фільтри, аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі, стабілізатори напруги, комутатори і ключі, формувачі, генератори, детектори, модулятори, змішувачі тощо.

Багатоцільові підсилювачі призначені для підсилення  сигналів у широкому діапазоні частот. До них належать підсилювачі низьких, проміжних та високих частот, а також ши­рокосмугові підсилювачі і підсилювачі постійного струму.

Окрему підгрупу становлять операційні підсилювачі – найпоширеніший тип підсилювача широкого застосування, який реалізує функцію підсилення і виконує роль базового універсального елемента для побудови аналогових функціональних вузлів різноманітного призначення. Типовий операційний підсилювач характеризується високим коефіцієнтом підсилення (десятки – сотні тисяч), високим вхідним опором (сотні кОм – десятки мОм), низьким вихідним опором (сотні Ом – одиниці кОм).

Компаратори напруги реалізують функцію порівняння двох сигналів і в момент їхньої рівності стрибком змінюють вихідну напругу.

Обмежувачі реалізують функцію обмеження і призначені для зміни форми сигналів.

Перемножувачі  реалізують функцію перемноження двох аналогових сигналів. Їх застосовують під час здійснення таких перетворень сигналів, як модуляція, помноження, ділення та перетворення частоти коливань, детектування, генерування коливань.

Фільтри реалізують функції частотної вибірності (селекції). Їх випускають серійно у вигляді активних RC-фільтрів на основі операційних підсилювачів, а також у вигляді пристроїв на основі поверхневих акустичних хвиль та приладів із зарядовим зв’язком.

Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП) призначені для перетворення відповідно аналогових сигналів у цифровий код і цифрової інформації на аналогові сигнали. Їхнє застосування забезпечує цифрове оброблення аналогових сигналів і подальше перетворення результатів оброблення в аналогову форму.

Стабілізатори напруги призначені для підтримання сталої напруги жив­лення електронних вузлів, блоків, пристроїв.

Аналогові комутатори і ключі застосовують для перемикання і перерозподілу у часі інформації.

Формувачі сигналів, генератори, детектори, модулятори, змішувачі належать також до аналогових ІМС. Оскільки кількість таких схем велика, а їхня стандартизація ускладнена, то під час їхнього виготовлення використовують різні типи операційних підсилювачів з додатковими зовнішніми підсхемами.

На закінчення зауважимо, що різноманітність функцій, які реалізують аналогові ІМС, не дає змогу характеризувати їх сукупністю параметрів, єдиних для усіх типів мікросхем. Кожну групу аналогових ІМС характеризують певними параметрами, притаманними лише однотипним мікросхемам. Ці питання є предметом вивчення спеціальних дисциплін.

 

6.2.2. Номенклатура та основні параметри цифрових ІМС

 

Найзагальніша класифікація цифрових ІМС ґрунтується на поданні цифрових схем як цифрових автоматів.

На підставі такого підходу цифрові ІМС поділяють на дві групи:

а) комбінаційні схеми (цифрові автомати без пам’яті), особливість яких полягає у тому, що їхні вихідні сигнали у будь-який момент часу залежать лише від комбінації вхідних сигналів у той самий момент. До комбінаційних схем належать суматори, комутатори (мультиплексори і демультиплексори), перетворювачі кодів (шифратори і дешифратори), компаратори, програмовані логічні матриці, арифметико-логічні блоки тощо.

б) послідовнісні схеми (цифрові автомати з пам'яттю), до складу яких входять елементи пам’яті – запам’ятовувальні комірки. Внаслідок цього вихідні сигнали послідовнісних схем залежать не тільки від комбінації вхідних сигналів, але і від стану елементів пам’яті. До послідовнісних схем належать регістри, лічильники, генератори чисел тощо, також мікропроцесори – програмно керовані великі інтегральні схеми (ВІС), які реалізують арифметичні та логічні операції над цифровими сигналами. Програмування мікропроцесорів здійснюють подан­ням зовнішніх сигналів, комбінація яких утворює певну команду для мікропроцесора, забезпечуючи виконання тієї чи іншої операції.

Окрему групу цифрових ІМС утворюють запам’ятовувальні пристрої, які призначені для зберігання інформації і реалізують операції запису, запам’ятовування та зчитування цифрових сигналів.

На відміну від аналогових, цифрові ІМС характеризують набором основних параметрів, однакових для усіх мікросхем, що дає змогу порівнювати між собою мікросхеми різних типів.

До основних параметрів належать: логічна функція, яку реалізує мікросхема; навантажувальна здатність (коефіцієнт розгалуження на виході n та коефіцієнт об’єднання на вході m); середній час затримки передавання сигналу t_з.ср; статична завадостійкість U_з; споживана потужність Р_ср; гранична робоча частота f_гр.

Перелічені параметри взаємопов’язані функціональними залежностями, специфічними для схем різних типів. Для усіх типів мікросхем характерно те, що покращання одного з пара­метрів призводить до погіршення інших параметрів.

Навантажувальна здатність характеризує максимальну кількість однотипних мікросхем, які можна з’єднувати між со­бою. Коефіцієнтом розгалуження на виході називають кількість n однотипних мікросхем, які можна під’єднати до виходу такої самої мікросхеми без спотворення інформації, яку передають. Коефіцієнтом об’єднання на вході називають кількість m виходів однотипних мікросхем, які можна під’єднати до входу мікросхеми без спотворення інформації.

Середній час затримки сигналу t_з.ср характеризує швид­кодію цифрових ІМС і визначає середній час проходження сиг­налу через одну мікросхему.

Статична завадостійкість U_з характеризує максимальне значення напруги зовнішньої статичної завади, яка діє на мікросхему і не призводить до порушення нормального її функ­ціонування.

Потужність, яку споживає мікросхема від джерел жив­лення, не є сталою у будь-який момент часу, а залежить від логічного стану і типу логічних елементів й змінюється у разі перемикання схеми. Тому як основний параметр використо­вують не миттєве, а середнє значення потужності, яку спо­живає мікросхема упродовж достатньо великого часу: Р_ср = (Р₀+Р₁)/2, де Р₀ і Р₁ – потужності, споживані схемою відповідно у стані логічного  нуля та логічної одиниці. Якщо потужність, споживана під час перемикань мікросхеми, більша від потужності, споживаної у статичних станах, мікросхеми додатково характеризують потужністю, споживаною за максимальної частоти перемикання. Зауважимо, що чим більшу потужність споживає мікросхема, тим більша її швидкодія.

Конкретні значення основних параметрів цифрових ІМС залежать від їхніх конструктивно-технологічних та схемотехнічних рішень, які є предметом вивчення окремих дисциплін.