Электронная техника

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА

Вариант № 50

Методы формирования и виды электронно-дырочных переходов

А). виды электрических переходов между двумя слоями полупроводника

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n — типа (электронную, а другая — р — типа (дырочную), называют электронно-дырочным переходом, или, кратко, р — n-переходом.

Электрические переходы между двумя областями полупроводника одного и того же типа электропроводности, с различающимися значениями удельной электрической проводимости, называют изотипными переходами. Изотипные переходы могут быть электронно-электронными (n — n⁺) или дырочно-дырочным (рр⁺). Знаком + условно отмечается область с более высокой удельной электрической проводимостью.

В зависимости от используемых для образования электрического перехода полупроводниковых материалов различают гомогенный переход (гомопереход), образованный в одном полупроводниковом материале — германии (Gе), кремнии (Si), арсениде галлия (GаАs) и др., и гетерогенный переход (гетеропереход), образованный смежными областями полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны: германий — кремний, германий — арсенид галлия и многие другие. Например, такие структуры получили широкое распространение в оптоэлектронике: многие светоизлучающие диоды строятся на структуре — GаАlАs — GаАs, полупроводниковые лазеры — на структуре — InР — GаIn — АsР.

В). методы формирования р — n-переходов

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование свойств р — n-перехода. Однако р — n-переход не может быть создан путем простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов с разными типами электропроводности, так как при этом между кристаллами всегда будет существовать некоторый промежуточный слой. Обычно р — n-переходы создают с помощью специальных технологических приемов.

По технологии изготовления р — n-переходы могут быть разделены на сплавные и диффузионные.

Для изготовления сплавного перехода пластину кремния (Si), например, n — типа тщательно шлифуют до необходимой толщины, затем на ее поверхности укрепляют небольшую таблетку элемента III группы (обычно это — бор (В); галлий (Gа), индий (In)) и помещают в печь, где она нагревается до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате происходит вплавление в полупроводниковый кристалл примеси и формирование р — n-перехода.

Для изготовления диффузионного р — n-перехода используют планарно-эпитаксиальную технологию.

рис. 1 последовательность планарной технологии ИМС.

Подложки в виде тонких 100 мкм) круглых пластин нарезаются из монокристаллического кремниевого цилиндра, выращенного путем постепенного вытягивания затравки из расплавленного чистого поликристаллического кремния (может использоваться также — германий (Gе). Для получения соответствующей проводимости полупроводниковой подложки в расплав кремния при выращивании монокристалла могут быть добавлены примеси nили р — типа. Пластины шлифуются и полируются до получения оптической чистоты поверхности. С одного края пластины делают сегментированный срез, служащий в дальнейшем в качестве базы для точной установки ориентации.

На полученных таким образом подложках наращивают эпитаксиальный слой толщиной порядка 10 мкм путем осаждения из газовой среды при высокой температуре кремния, образующегося при восстановлении водородом четыреххлористого кремния. При этом кристаллическая решетка выращенного слоя является точным продолжением кристаллической решетки подложки. Добавка в основную смесь газов соответствующих примесей определяет проводимость получаемого эпитаксиального слоя.

Окисляя затем пластину при температуре 900 — 1200⁰С в атмосфере кислорода или водяного пара, на поверхности эпитаксиального слоя формируют тонкую изолирующую пленку SiО₂.

Формирование в кремниевой пластине отдельных участков различной проводимости производят с помощью диффузии примесей через окна, образованные в пленке двуокиси кремния. Для образования таких окон, как правило, применяются методы фотолитографии, включающие в себя нанесение на поверхность кристалла тонкого слоя фоточувствительного полимера — фоторезиста. На фоторезист затем проектируется нужный рисунок-конфигурация, и полученные таким образом изображения проявляются. В результате одни участки фоторезиста полимеризуются и прочно сцепляются с основанием, другие — неполимеризованные — удаляются. Через окна производится травление пленки окисла.

В результате последовательного проведения нескольких циклов окисления, фотолитографии и диффузии в эпитаксиальном слое образуются участки, эквивалентные по своим свойствам резисторам, диодам и транзисторам.

Планарно-эпитаксиальная технология получила наибольшее распространение в производстве интегральных микросхем.

Для изготовления полупроводниковых приборов с заданными электрическими характеристиками необходимо очень точно выдержать размеры областей кристалла с разными типами электропроводности. В сплавном переходе конфигурация отдельных областей сильно зависит от точности поддержания температуры, толщины полупроводниковой пластины, времени вплавления и количества примесей. Ничтожные отклонения любого показателя от номинального значения приводит к большому разбросу номинального значения электрических параметров полупроводниковых приборов. Диффузионный процесс более медленный и лучше управляемый, поэтому с помощью диффузии удается выдержать размеры различных областей наиболее точно.

Описанные выше технологические процессы являются самыми распространенными, но не единственно возможными. Находят применение интегральные схемы с изоляцией элементов не запертыми р — n-переходами, интегральные схемы на сапфировой подложке и т. д.

Классификация и маркировка транзисторов

Транзисторы — приборы универсального назначения. Они могут использоваться не только в классе схем, для которых они разработаны, но и во многих других.

Классификация транзисторов по типу структуры:

Биполярные транзисторы — полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Обозначение:

Рис. 2. р — n — р-тип n — р — n-тип.

Б — база.

К — коллектор.

Э — эмиттер.

В свою очередь, биполярные транзисторы классифицируются по:

— материалу, из которого они сделаны — германий (Gе), кремний (Si), арсенид галлия (GаАs) и др.,;

— способу движения неосновных носителей заряда в базовой области (дрейфовые и бездрейфовые);

— способу изготовления;

— мощности и частоте:

Полевые транзисторы — это полупроводниковые униполярные приборы — протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака.

В свою очередь полевые транзисторы подразделяются на две разновидности:

— транзистор с управляющим р — n-переходом;

Обозначение:

Рис. 3. Канал р — типа. Канал n — типа.

Ззатвор; С — сток; И — исток.

— транзисторы с изолированным затвором — МДП (МОП):

· с встроенным каналом;

· с индуцированным каналом.

Обозначение:

Канал n — типа: Канал р — типа.

Рис. 4. З — затвор; С — сток; П — подложка; И — исток.

Полевые транзисторы также классифицируются по:

— материалу, из которого они сделаны;

— способу изготовления;

— мощности и частоте.

Обозначение транзисторов

Обозначение транзисторов состоит из шести элементов:

Первый элемент — буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор: Г или 1 — германий; К или 2 — кркмний; А или 3 — арсенид галлия.

Второй элемент — буква, указывающая класс прибора: Т — биполярные транзисторы; П — полевые транзисторы.

Третий, четвертый и пятый элемент — трехзначное число:

первая цифра обозначает классификационный номер, характеризующий назначение прибора (диапазон рабочих частот и мощность);

вторая и третья цифры от 01 до 99 — порядковый номер разработки технологического типа прибора.

Шестой элемент — буквы от, А до Я — определяет деление технологического типа на параметрические группы (разновидности одного типа).

Примеры обозначений:

КТ324А — кремниевый биполярный транзистор, высокочастотный, малой мощности, номер разработки 24, группа А;

1Т806Б — германиевый биполярный транзистор, среднечастотный, большой мощности, номер разработки 06, группа Б;

КП102Е — кремниевый полевой транзистор, низкочастотный, малой мощности, номер разработки 02, группа Е.

Полупроводниковые интегральные гибридные микросхемы

Гибридная интегральная микросхема — это интегральная микросхема, в которой наряду с выполненными на поверхности подложки пленочными элементами используются и навесные микроминиатюрные элементы — транзисторы, конденсаторы, дроссели, пленочное исполнение которых затруднено.

Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра (рис. 5, а). что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких таких резисторов может достигать 10⁵ Ом.

рис. 5. Гибридные ИМС.

Пленочные конденсаторы имеют структуру, разрез которой представлен на рис. 5, б. Конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл — диэлектрик — металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает 10 000 пФ и более.

Дроссели могут быть выполнены в виде спирали (рис. 4, в); они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн. Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными: эти элементы приклеиваются к определенным местам платы, осуществляются их контактирование с элементами пленочной схемы, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами:

1. наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка имеет большую трудоемкость.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Такие ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопленочных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми узкоспециализированными сериями (десятки и даже единицы).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число их компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Аноды и сетки электронных ламп

Любая электронная лампа представляет собой металлический, стеклянный или керамический баллон, внутри которого укреплены электроды (рис. 6).

Рис. 6. Устройство электронных ламп (диод и триод).

В баллоне создается сильное разряжение воздуха — вакуум, которое необходимо для того, чтобы газы не мешали движению электронов в лампе и чтобы электроны служили дольше. Во всех электронных лампах обязательно есть два электрода — анод и катод. В одних лампах роль катода выполняет нить накала, в других — нить служит миниатюрным нагревателем, подогревающей трубчатый катод. К, а т о д — отрицательный электрод, являющийся источником электронов. А н о д — положительный электрод, обычно имеющий форму цилиндра или коробки без двух стенок. Он окружает катод. Ламповый диод имеет два электрода — катод и анод; триод — три электрода — катод, анод и сетку; тетрод — четыре электрода — катод, анод и две сетки (управляющая и экранирующая); пентод — катод, анод и три сетки _ управляющая, экранирующая и защитная (антидинатронная)) и т. д.

В основе работы любой электронной лампы лежат эффекты электронной эмиссии. различают: термоэлектронную эмиссию — процесс излучения электронов с поверхности нагретого металла; фотоэлектронную эмиссию — процесс выхода электронов с поверхности металла, облучаемого лучистой энергией (лучи видимого спектра, инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские); вторичная электронная эмиссия — процесс выхода электронов с поверхности металла при облучении ее потоком электронов; электростатическая (автоэлектронная) эмиссия — процесс выхода электронов с холодной поверхности металла под действием сильного ускоряющего электрического поля (10⁶ — 108 В/см). В зависимости от принципа работы электронной лампы выбираются соответствующие электроды.

Катод электронной лампы может быть как прямого, так и косвенного накала. Катоды выполняются из тугоплавких металлов — в основном из вольфрама, никеля, молибдена или тантала. Для каждого металла при допустимой температуре эмитируется определенное (в среднем) количество электронов с единицы площади. Следовательно, размеры катода должны быть такими, чтобы с его поверхности был получен требуемый ток эмиссии. Чем больший ток мы хотим получить, тем больше должны быть размеры катода. Чистый вольфрам в этом отношении неэкономичен. Его приходится нагревать до такой температуры (не менее 2 200⁰С), при которой металл испаряется и катод служит недолго (в среднем 1 000 ч.). Чтобы снизить рабочую температуру катода, сохранив хорошую эмиссию электронов, катод покрывают слоем другого металла толщиной в один атом. Контактная разность потенциалов двух металлов частично компенсирует тормозящее действие поверхности основного металла. Такое покрытие называют активацией катода.

Среди активирующих покрытий применяется торий, которым покрывается специально обработанная углеродом (карбидированная) поверхность вольфрамовой нити. Торированные карбидированные катоды имеют рабочую температуру не выше 1700⁰С. (желтое каление).

Другим активирующим покрытием могут быть окислы бария и стронция, которые наносятся на никель. Активирующий слой металла выделяется из оксидов при термической обработке катода. Оксидные катоды работают уже при температуре около 800⁰С (вишнево-красное каление). Такие электроды менее чувствительны к перекалу и работают в течение 5 000 ч.

Устройство катода косвенного накала приведено на рис. 7. Собственно катод представляет собой металлическую трубку 1, на поверхность которой нанесен слой оксидов 2, содержащих барий. Внутри трубки помещена свернутая петля нити накала 3, покрытая теплостойким слоем алунда 4 (изоляционный материал на основе окиси алюминия).

рис. 7. Устройство катода косвенного накала.

В мощных усилительных электронных лампах применяются импрегнированные (пропитанные) катоды, представленные на рис. 8.

рис. 8. Устройство «пропитанного» катода.

В импрегнированных катодах на молибденовый цилиндр 1 крепится крышка-диск 2 из губчатого (пористого) вольфрама; последний пропитывается активной массой, которая представляет собой алюминат бария. Такой катод нагревается до температуры около 1 000⁰С и в тяжелых условиях эксплуатации имеет долговечность более 5 000 ч; его подогреватель 3 располагается внутри цилиндра.

Аноды электронных ламп чаще всего выполняются в виде металлического цилиндра, расположенного или горизонтально, или вертикально (в зависимости от конструкции катода). Цилиндрическая форма анода удобнее, чем плоская, в смысле охвата катода, но возможны и другие формы.

Для увеличения мощности. Рассеиваемой анодом, прибегают к увеличению поверхности охлаждения, для этого анод снабжают радиаторами. Прибегают также к чернению анода, что увеличивает коэффициент лучеиспускания, а следовательно, и рассеиваемую мощность в 2 — 3 раза. С этой же целью анод покрывают цирконием, который не только повышает коэффициент лучеиспускания, но и эффективно поглощает остаточные газы, улучшая вакуум в лампе.

Аноды с лучистым охлаждением имеют удельную мощность рассеивания не более 8 — 9 Вт / м, поэтому при приемлемых для эксплуатации размерах лампы максимальная мощность рассеяния таких анодов не превышает 500 Вт. В случае необходимости иметь большую мощность рассеяния используют аноды с принудительным или жидкостным охлаждением.

Температура анода в установившемся режиме:

Т = ;

— ток анода;

— напряжение на аноде;

— ток нагрузки;

— напряжение нагрузки;

Допустимая температура нагрева анода определяется началом интенсивного газоотделения. В целях уменьшения газоотделения анод при откачке лампы «обезгаживают» путем интенсивного прогрева и электронной бомбардировки. Во время работы лампы нагрев анода должен быть меньше, чем во время откачки. Кроме того, температура анода должна быть ниже температуры катода, во избежание перегрева последнего. Поэтому в лампах с оксидным катодом максимальная температура анода независимо от того, из какого материала он сделан, не должна превышать 600 — 650⁰С. В лампах с вольфрамовым или карбидированном катодом она может быть значительно выше.

Максимально допустимая температура нагрева анода определяет величину максимально допустимой мощности, выделяемой электронным потоком на аноде:

= - .

Аноды выполняются также из тугоплавких металлов — никеля, молибдена и тантала. При работе электронной лампы на анод относительно катода подается напряжение. Под действием которого в межэлектродном пространстве создается электрическое поле. Если на анод относительно катода подать напряжение положительной полярности, то электроны, испускаемые катодом, под действием электрического поля будут устремляться к аноду, создавая в анодной цепи ток I_а, называемый анодным током. Он направлен от анода к катоду. Когда на анод относительно катода подается напряжение отрицательной полярности, в межэлектродном пространстве создается тормозящее поле, при этом анодный ток прекращается, поскольку электроны возвращаются на катод.

Сетки. Электронная лампа, у которой между катодом и анодом расположены третий электрод (триод, рис. 6.), третий и четвертый (тетрод) и третий, четвертый и пятый (пентод) являются много электродными лампами. Дополнительные электроды называются сетками. Эти электроды могут быть выполнены в виде металлической сетки либо в виде спирали, окружающей катод, либо в виде ряда металлических стержней, расположенных возле катода. На рис. 9. Показана типичная конструкция триода.

рис. 9. Устройство триода.

В триоде, например, сетка предназначена для управления анодным током, поэтому ее называют управляющей сеткой. Электроны, движущиеся от катода к аноду, вообще имеют возможность пролетать между стержнями сетки. Но количество электронов, пролетающих сквозь сетку за секунду, существенно будет зависеть от напряжения на сетке. Изменением напряжения на сетке можно изменить анодный ток от нуля до наиболее достижимой величины.

В тетроде вводится вторая экранирующая сетка, расположенная над первой, управляющей. Она закрывает полностью управляющую сетку и катод и укрепляется, как правило, на плоском металлическом диске. Экранирующая сетка и диск ослабляют емкостное воздействие между анодом и первой сеткой.

В пентоде на пути электронов между экранирующей сеткой и анодом помещается третья сетка, обычно соединенная с катодом, т. е. имеющая нулевой потенциал, который препятствует движению вторичных электронов от анода к экранирующей сетке (динатронный эффект). Третья сетка называется защитной (антидинатронной).

Питание цепей усилителя и стабилизация рабочей точки

транзистор микросхема электронный цепь усилитель Электронные усилители представляют собой устройства, усиливающие мощность, напряжение или ток электрического сигнала, подводимого к его входу.

Усилители электрических сигналов делятся:

в зависимости от диапазона рабочих частот на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низких частот (УНЧ), широкополосные радиои промежуточных частот;

по схемному исполнению — на однокаскадные (с одним усиливающим элементом и его нагрузкой) и многокаскадные, с симметричным и несимметричным (двухтактным) выходом и входом.

А) Питание цепей электронного усилителя.

Для питания электронных усилителей применяют источники питания малой мощности (единицы, десятки и сотни ватт), которые обычно получают энергию от однофазной цепи переменного тока.

Существующие схемы параллельного и последовательного питания транзисторов в усилителе, а также схем смешанного, параллельно-последовательного питания открывает широкие возможности перед разработчиком в части рационального выполнения усилителей, облегчения энергетического режима работы их элементов и связанных с ними устройств, например, источника питания.

1. Схемы последовательного питания.

Одной из наиболее распространенных схем последовательного питания является схема, резисторный вариант которой приведен на рис. 10.

Рис. 10. Схема каскадного усилителя на резисторах.

Характерной особенностью схем последовательного питания и, в частности, каскодной схемы является необходимость обеспечения постоянства потенциалов баз транзисторов. В противном случае вследствие большого динамического сопротивления со стороны коллектора нижнего транзистора даже небольшие изменения коллекторного тока могут создать опасность резкого перераспределения питающего напряжения вдоль последовательно включенных элементов, в результате чего один из транзисторов может оказаться в режиме насыщения, а к другому будет приложено почти все напряжение питания. Схема, построения цепи смещения (рис. 10) является одной из наиболее рациональных с точки зрения эффективности фиксации потенциала базы при минимальном количестве используемых элементов. Подбирая соответствующим образом делитель R₁ — R₃, в схеме можно обеспечить любое желаемое распределение напряжения источника питания между обоими транзисторами.

Одной из разновидностей схем с последовательным питанием является трехкаскадный усилитель с каскадным включением транзисторов по переменному току по схеме с общим эмиттером (ОЭ), представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема усилителя с последовательным питанием и каскадным включением транзисторов по переменному току.

На рис. 12 представлен еще один вариант многокаскадного усилителя с последовательным питанием транзисторов, отличающий ся тем, что фазы его входного и выходного напряжений совпадают при любом количестве транзисторов в схеме.

Рис. 12. Схема трехкаскадного неинвертирующего усилителя последовательного питания.

На схеме рис. 12. Входной сигнал поступает в цепь базы транзистора Т₁, усиливается им и подается в цепь базы транзистора Т₂ и т. д. При указанном на рисунке включении конденсаторов С₃ — С₅ коллекторная цепь предыдущего транзистора и входная цепь последующего образуют замкнутый контур. Поэтому коллекторной нагрузкой каскада является входное сопротивление следующего транзистора, что обеспечивает максимальное использование усилительных свойств транзисторов. Режим работы и стабильность усилителя определяются токостабилизирующим эмиттерным сопротивлением R₁ и приведенным сопротивлением делителя R₂ — R₅.

2. Схемы параллельно-последовательного питания.

В схемах усилителей с последовательным питанием получить стабильность коллекторного тока любого транзистора выше стабильности коллекторного тока в однокаскадном усилителе с разделительным конденсатором (рис.) при соответствии величин их элементов невозможно. В схемах параллельного питания (рис.) в результате глубокой межкаскадной отрицательной обратной связи по постоянному току можно получить стабильность режима близкую к предельной. Поэтому, если использовать параллельно-последовательное питание в многокаскадном усилителе, отличающейся высокой стабильностью и малым количеством элементов (рис.)

Рис. 13. Схема усилителя с параллельно-последовательным питанием и общей отрицательной обратной связью по постоянному току.

Ее особенностью является непосредственная обратная связь между всеми шестью транзисторами и обусловленное этим отсутствие разделительных конденсаторов, за исключением конденсаторов на входе и выходе схемы.

С точки зрения стабильности токов коллекторов схема может рассматриваться как усилитель с автоматической балансировкой режима за счет глубокой межкаскадной обратной отрицательной связи по постоянному току. стабильность коллекторных токов транзисторов усилителя как схемы последовательного питания с точночтью до суммы изменений обратных токов коллекторов определяется стабильностью режимом работы нижних транзисторов Т₁ и Т₂. Учитывая это, можно приблизительно считать, что изменения токов Дi_0к1 и Дi_0к2 левой и правой ветвей схемы не зависят от нестабильности, вносимой остальными транзисторами.

Исходный режим работы транзисторов Т₂ — Т₅ автоматически устанавливается таким, что их напряжение коллектор — эмиттер практически совпадает с падением напряжения на резисторах R₂, R₈, R₃ и R₉ соответственно.

Аналогично реализуются цепи питания для усилителей на полевых транзисторах.

Б). Стабилизация рабочей точки.

Биполярные транзисторы.

На рис. 14. Приведена схема с фиксированным током базы. Ее основной недостаток — отсутствие стабилизации положения рабочей точки при воздействии дестабилизирующих факторов, особенно температуры.

Рис. 14. К расчету положения рабочей точки, А биполярного транзистора.

Изменение температуры окружающей среды по-разному влияет на ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. Основным фактором нестабильности рабочей точки германиевых транзисторов является резкое возрастание тока коллектора при увеличении температуры. При изменении температуры от 20 до 60⁰С выходные характеристики кремниевых транзисторов мало смещаются, а входные сильно. Таким образом, изменение температуры приводит к перемещению точки покоя и связанному с этим изменению начального режима работы транзистора.

А) Нестабильность положения точки покоя при изменении температуры окружающей среды заставляет вводить в усилительные каскады специальные схемы стабилизации. Чаще других используют коллекторную (рис. 15, а) и эмиттерную (рис. 15, б) схемы стабилизации. Рассмотрим их подробно:

Рис. 15. Коллекторная (а) и эмиттерная (б) схемы стабилизации положения рабочей точки транзистора.

При отсутствии входного переменного напряжения в схемах стабилизации установятся определенные постоянные напряжения между электродами транзистора, а в цепях базы, эмиттера и коллектора будут проходить постоянные токи I_Бнач., I_Энач., I_Кнач.. При изменении температуры меняются все токи транзистора, что создает соответствующие изменения падений напряжений на резисторах R_К, R_Э, а это приводит к обратным изменениям токов транзистора (их стабилизации).

Пусть для определенности температура окружающей среды увеличилась. Это вызовет соответствующее возрастание токов транзистора +I_Б —, +I_Э —, +I_К —. возрастание тока коллектора в схеме на рис. 15, а приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R_К, что уменьшит напряжение U_КЭ, а следовательно, и напряжение между базой и эмиттером U_БЭ. Уменьшение напряжения U_БЭ приводит к «подзапиранию» эмиттерного перехода, что уменьшает ток эмиттера — ДI_Э —, а с ним ток базы — ДI_Б — и ток коллектора — ДI_К —, т. е. в схеме коллекторной стабилизации стабилизируется значение выходного тока, и положение рабочей точки транзистора.

Аналогично работает схема эмиттерной стабилизации (рис. 15, б). при возрастании токов коллектора и эмиттера возрастает падение напряжения на резисторах R_Э и R_К. это одновременно изменяет напряжение между базой и «землей», эмиттером и «землей», коллектором и «землей». Но для транзистора важны не абсолютные, а относительные значения напряжений на электродах. Если в схеме с эмиттерной стабилизацией правильно выбраны параметры, в частности, делитель R₁ R₂ достаточно низкоомный, то изменение тока базы — ДI_Б — мало скажется на напряжение между базой и «землей» (ДU 0). В то же время ток — ДI_{Э -} может создать на резисторе R_Э с достаточно большим сопротивлением значительное падение напряжения +ДU_Э («+» на эмиттере), которое приведет к обратному смещению эмиттерного перехода, т. е. к уменьшению тока эмиттера — ДI_Э —, в результате выходной ток I_К стабилизируется. Естественно, что стабилизирующее действие схемы усиливается с увеличением сопротивления R_Э и уменьшением сопротивления делителя R₁ R₂. однако при наличии в цепи эмиттера только одного резистора R_Э схема будет плохо усиливать переменное напряжение, так как на резисторе R_Э создается падение напряжения, препятствующее изменению токов транзистора. Это полезное для стабилизации постоянных составляющих токов транзистора свойство совершенно не нужно для переменных составляющих. Поэтому, чтобы сохранить стабилизацию режима работы транзистора по постоянному току и не ухудшать усилительные свойства транзистора по переменному току, параллельно резистору R_Э включают конденсатор С_Э,

Б) Более высокую стабильность режима работы можно получить увеличением глубины отрицательной обратной связи по постоянному току. С этой целью обратной связью целесообразно охватывать не один, а несколько каскадов. На практике часто применяют схемы стабилизации с охватом обратной связью пары каскадов. Одним из критериев высокой эффективности стабилизации является сравнительно малая величина сопротивлений, включенных в цепи баз транзисторов, что гарантирует ослабление вредного влияния обратных токов коллекторов I_Ко.

Основной вариант одной из высокоэффективных схем стабилизации показан на рис. 16, а. В таком двухкаскадном усилителе с непосредственной связью через резисторы R₃ и R₅ охвачены одновременно оба каскада, что обеспечивает более глубокую обратную связь и жесткую стабилизацию режима.

Эмиттерный резистор R₁ при этом необходим для компесации части напряжения U₃. Исходные напряжения на коллекторе и коллекторный ток транзистора Т₁ автоматически устанавливается в зависимости от величин сопротивлений R₁, R₂, R₃ и R₄ и поддерживаются неизменными в процессе работы усилителя. Сопротивление резистора R₅ должно выбираться возможно меньшим, но таким, чтобы предотвратить заметное шунтирование входа усилителя:

R₅ = ;

При этом, если сопротивления R₃ и R₄ достаточно велики, резистор R₅ может отсутствовать.

Рис. 16. Двухкаскадные схемы стабилизации режима при параллельном питании:

а) с эмиттерным делителем;

б) со стабилитроном и дополнительной емкостью;

в) с двумя стабилитронами и компенсацией отрицательной обратной связи по переменному току.

Другой вариант получается путем замены эмиттерной цепочки R₁ С₁ стабилитроном с соответствующей величиной напряжения стабилизации U_ст = U₁ (рис. 16, б). работа схемы и назначение ее элементов остаются прежними как и в случае 16, а. применение стабилитрона может оказаться выгодным с точки зрения исключения конденсатора С₁ большой емкости. Данная схема пригодна лишь в тех случаях, когда высокий уровень собственных шумов стабилитрона несущественен.

Схема рис. 16, в также может быть рассчитана как две предыдущие. однако коэффициент усиления рассматриваемого усилителя получается меньшим, так как местная отрицательная обратная связь во втором каскаде, обусловленная резистором R₃, остается не скомпенсированной, что является недостатком данной схемы.

В) Если для питания усилителя имеется дополнительный источник с незаземленным положительным полюсом (при использовании транзисторов типа р — n — р), то можно применить очень эффективную двухкаскадную схему стабилизации, приведенную на рис. 17, а.

Рис. 17. Двухкаскадные схемы стабилизации режима с дополнительным источником питания.

а) с потенциометрическим делителем;

б)с потенциометрическим делителем и дополнительной ёмкостью;

в) получение дополнительного напряжения от общего источника питания с незаземленными полюсами.

В этой схеме глубокая отрицательная обратная связь по постоянному току осуществляется с помощью делителя R₃ R₄. Избыточное отрицательное напряжение U₃, снимаемое с эмиттера транзистора Т₂, компенсируется с помощью дополнительного источника с э. д. с. Е, при этом автоматически устанавливается такой режим, что

= U_0Б1 .

В целях уменьшения эмиттерной емкости С₂ в схеме стабилизации можно применить дополнительную развязку (рис. 17, б).

Полевые транзисторы.

Режим работы полевых транзисторов значительно меньше зависит от температуры, поэтому обеспечить его стабилизацию проще.

Для обеспечения необходимого смещения на затвор и одновременного повышения стабильности режима можно применить схему автоматического смещения (рис. 18).

Рис. 18. Схема автоматического смещения на затвор.

При выбранном рабочем режиме (I_С0 и U_З0) необходимая величина сопротивления резистора автоматического смещения: R₃ = U_З0 / I_С0.

Вследствие большой величины входного сопротивления транзистора и малого обратного тока затвора I_З0 резистор утечки R₂ может быть взят с большим сопротивлением, достигающим десятка Мом. Максимальная величина его сопротивления ограничивается допустимой нестабильностью режима, вызываемой изменением обратного тока затвора.

Для повышения эффективности стабилизации режима полевого транзистора необходимо увеличивать глубину отрицательной обратной связи по постоянному току. Однако в схеме на рис. 18. При этом также будет возрастать смещение на затвор, и рабочая точка попадет в область нижнего изгиба проходной характеристики. Чтобы устранить этот недостаток, на затвор транзистора следует подать дополнительное отпирающее напряжение, которое в простейшем случае может быть получено с помощью потенциометрического делителя R₁, R₂ (рис. 19.).

Рис. 19. Схема с повышенной температурной стабильностью режима.

Эта схема по принципу действия аналогична схеме стабилизации режима биполярного транзистора с отрицательной обратной связью по постоянному току (рис. 15, б).

В ряде случаев практически полезной может оказаться схема с плавающим режимом (или схема с автоматическим смещением за счет тока затвора, рис. 20.).

Рис. 20. Схема включения полевого транзистора с плавающим режимом.

В этой схеме исходный режим соответствует нулевому смещению на затворе U_ЗО = 0, что обеспечивает работу с максимальным током стока и с максимальной крутизной.

Температурная нестабильность тока стока в режиме плавающего смещения имеет такую же величину, как и при фиксированном смещении. Для рассматриваемой схемы существенное значение имеет правильный выбор емкости разделительного конденсатора С_р .

Достоинства схемы с плавающим смещением является ее простота и отсутствие в цепи истока блокирующего конденсатора, который часто должен иметь большую емкость. Эту схему целесообразно применять при усилении слабых сигналов или при непрерывных сигналах со сравнительно медленным изменением амплитуды, а также для схем, работающих на импульсных сигналах.

1. Алексеенко А. Г., Шатурин И. И. Микросхемотехника: Учебное пособие. — М.: Радио и связь, 1990.

2. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник. — М.: Радио и связь. 1992.

3. Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы: Учебник. — М.: 2001.

4. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — -М.: Энергия 1990.

5. Ушаков В. Н., Долженко О. В. Электроника: от транзистора до устройства. — М.: 2005.

6. Федоров В. И. Основы электроники. М.: 2007.

7. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным микросхемам./ Под. ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергия 1995.