Полупроводниковые приборы: диоды и транзисторы

Работа p-n перехода, ВАХ диода, выпрямители и стабилитрон, устройство биполярного и полевого транзистора, схемы включения и режимы работы, расчёт каскада.

Электроника начинается с двух приборов: диод пропускает ток в одну сторону, транзистор управляет большим током малым. Всё остальное — от выпрямителя до микропроцессора — построено на этих двух свойствах.

p-n переход

На границе полупроводников с разным типом проводимости возникает обеднённый слой и потенциальный барьер. Прямое напряжение снижает барьер и ток растёт экспоненциально; обратное расширяет слой, и ток практически прекращается.

Уравнение Шокли:

  I = I₀·( e^(U/(m·φ_T)) − 1 )

φ_T = k·T/q ≈ 26 мВ при 300 K — тепловой потенциал
I₀ — обратный ток насыщения

Прямое падение напряжения:
  кремниевый диод     0,6-0,7 В
  германиевый         0,3 В
  диод Шоттки         0,2-0,4 В
  светодиод           1,8-3,4 В в зависимости от цвета

Виды диодов

Выпрямители

Однополупериодный:
  U_ср = 0,45·U₂,  частота пульсаций = f сети

Двухполупериодный мостовой (схема Гретца, 4 диода):
  U_ср = 0,9·U₂,  частота пульсаций = 2f
  Обратное напряжение на диоде = U₂·√2

Ёмкость сглаживающего конденсатора:
  C = I_н / (2·f·ΔU)

Коэффициент пульсаций: k_п = U_пульс / U_ср

Биполярный транзистор

Три области — эмиттер, база, коллектор — и два p-n перехода. Малый ток базы управляет большим током коллектора: в этом и состоит усиление.

  I_э = I_б + I_к
  I_к = β·I_б,  где β = 20…500 — коэффициент усиления по току
  α = I_к/I_э = β/(β+1) ≈ 1

Режимы работы:
  отсечка   — оба перехода закрыты, транзистор не проводит
  активный  — эмиттерный открыт, коллекторный закрыт: усиление
  насыщение — оба открыты, транзистор как замкнутый ключ
  инверсный — используется редко

Схема с общим эмиттером — основной усилительный каскад: усиливает и ток, и напряжение, инвертируя фазу. Общий коллектор (эмиттерный повторитель) применяют как буфер для согласования высокоомного источника с низкоомной нагрузкой.

Расчёт каскада с общим эмиттером

Дано: U_пит = 12 В, β = 100, желаемый I_к = 2 мА

1. Режим по постоянному току: U_кэ ≈ U_пит/2 = 6 В
2. Сопротивление в коллекторе: R_к = (U_пит − U_кэ)/I_к = 6/0,002 = 3 кОм
3. Ток базы: I_б = I_к/β = 2/100 = 0,02 мА
4. Базовый делитель задают током в 5-10 раз больше I_б
5. Коэффициент усиления по напряжению: K_u ≈ −R_к/r_э,
   где r_э = φ_T/I_э = 26 мВ / 2 мА = 13 Ом
   K_u ≈ −3000/13 ≈ −230

Полевые транзисторы

• Управляются напряжением на затворе, а не током: входное сопротивление огромно, потребление по управлению почти нулевое.
• MOSFET — основа всей цифровой техники: логический элемент КМОП потребляет энергию только в момент переключения.
• Отсутствие накопления заряда в базе даёт высокое быстродействие.
• Сопротивление в открытом состоянии R_DS(on) — ключевой параметр для силовых ключей: чем меньше, тем меньше нагрев.

Что обычно требуют в курсовой

1. Схема электрическая принципиальная по ГОСТ 2.702 с позиционными обозначениями.
2. Расчёт режима по постоянному току и выбор номиналов из ряда E24.
3. Расчёт коэффициента усиления и входного сопротивления.
4. Проверка транзистора по предельным параметрам: I_к max, U_кэ max, P_max.
5. Моделирование в Multisim, Proteus или LTspice с приложением осциллограмм.
6. Спецификация элементов.