Электронный генератор на бистабильном транзисторном элементе

Введение

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию высокочастотных кремниевых и арсенидгаллиевых диодов [1], предназначенных для разработки генераторов и устройств с наносекундными фронтами. Для их запуска требуются сигналы с короткими импульсами, которые в определенной степени можно получить с помощью диодов с резким восстановлением и накоплением заряда. Однако их применение для запуска скоростных лазерных полупровод-никовых излучателей, управления оптическими коммутаторами на ячейках Поккельса и Керра, при разработке сверхскоростных и сверхширокополосных линий связи, для запуска новых типов сверхскоростных активных приборов и других по уровню рабочих напряжений и токов оказалось неприемлемым [2]. Кроме того, элементы, формирующие импульсы с управляемой амплитудой и длительностью, требуются и для конструирования электронных блоков электромузыкальных инструментов, устройств автоматики и сигнализации транспортных средств, а также при разработке приборов бытовой автоматики, предназначенных для управления освещенностью светильников, и регуляторов температуры, в том числе некоторых измерительных решений [3].

Развитие скоростной импульсной техники, связанное с получением усовершенствованных регулирующих элементов, возможно на основе новых физических принципов и механизмов их функционирования. Так, в устройствах регулирования мощности используется принцип фазового управления. Изменение мощности осуществляется за счет управления моментом включения тиристора (симистора) относительно перехода сетевого напряжения через ноль, который управляется подключенным к управляющему электроду конденсатором и резисторами. Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется и тем большая часть напряжения поступит в нагрузку. И хотя такой метод управления мощностью широко распространен, применительно к светильникам он не дает желаемого результата, а для изготовления даже несложных управляющих устройств требуется большое количество элементов [4].

Явление памяти в двухбарьерной n⁺⁺pnn⁺-структуре

Основу транзисторного элемента составляет n⁺⁺pnn⁺-структура с омическим контактом к базовой области р‑типа. То есть она конструктивно аналогична биполярной транзисторной структуре, в которой сильнолегированную область n⁺⁺-типа можно принять за эмиттер, область р‑типа — за базу, а область n‑типа — за коллектор. Вольт-амперная характеристика n⁺⁺pnn⁺-структуры в режиме запирания, как показано на рис. 1, имеет S‑образный вид.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика n++pnn+-структуры в режиме запирания перехода эмиттер-база

В режиме запирания n⁺⁺p‑перехода по мере увеличения напряжения обратный ток приобретает медленно нарастающий характер до достижения 10^–7 А, и далее наблюдается резкий рост тока с переходом на участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который затем сменяется положительным ростом тока. То есть продолжение пробойного участка формирует S‑образную вольт-амперную характеристику с двумя устойчивыми состояниями (участки нарастания тока с напряжением).

Схема для изучения фотоэлектрических характеристик исследуемой транзисторной структуры как элемента памяти приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема для изучения фотоэлектрических характеристик n++pnn+-структуры как элемента памяти

В этой схеме отрицательный полюс напряжения питания от батареи V1 через амперметр подключен к (коллектору) омическому контакту n‑р‑перехода, а положительный полюс подается к (эмиттеру) омическому контакту n⁺⁺—p‑перехода. В результате относительно прилагаемого напряжения р‑n‑переход оказывается прямосмещенным, в то время как n⁺⁺—p‑переход находится в режиме запирания. При этом вывод омического контакта базовой области подключен к двум кнопкам. Первая кнопка («вкл.») через амперметр и ограничитель тока подсоединена ко второму источнику напряжения V2, плюсом к омическому контакту базовой области и минусом к омическому контакту n⁺⁺—p‑перехода. Вторая кнопка («выкл.») через конденсатор соединяет омический контакт коллектора с контактом базы. От источника напряжения V2 подается рабочее предпробойное напряжение, например 6,2 В, появляется ток 6×10^–8 А.

Далее при освещении эмиттерного перехода световым излучением ток скачком увеличивается до 50×10^–3 А и сохраняется на этом уровне как оптическая память, до замыкания конденсатора.

На следующем этапе, подавая пороговый ток величиной 140 мкА от второго источника нажатием кнопки («вкл.»), также получаем скачок тока до 50×10^–3 А, сохраняемого на этом уровне как электрическая полевая память, до замыкания конденсатора.

Таким образом, осуществляется оптическая и электрическая полевая память в транзисторном элементе. Данный транзисторный элемент можно использовать для создания электронного генератора, электрическая схема которого приведена на рис. 3.

Рис. 3. Электрическая схема электронного генератора

Электронный генератор

Генератор включает транзисторный элемент с оптической и электрической памятью, который отличается склонностью к смыканию тонкой базовой области двух np— и pn-переходов. В этой схеме в качестве рабочего напряжения от лабораторного трансформатора подавалось переменное напряжение частотой 50 Гц и амплитудой 9 В, в котором положительный период выпрямлялся с помощью диода. При этом ток в цепи отсутствует. В дальнейшем от звукового генератора ГЗ‑109 подавали входное синусоидальное напряжение до 0,5 В (несущее) различной частотой через конденсатор к переходу база-эмиттер. В результате на выходе транзисторного элемента появлялся модулированный сетевым напряжением выходной сигнал частотой 50 Гц, который снимался с нагрузочного сопротивления и через конденсатор подавался на осциллограф С1-70. Амплитуда выходного сигнала регулируется рабочим напряжением и величиной входного сигнала, а мощность — частотой входного сигнала.

Результаты и их обсуждение

Бистабильный транзисторный элемент с n⁺⁺pnn⁺-структурой имеет лавинный пробой в режиме запирания n⁺⁺—p‑перехода и обладает свойством сохранения скачка тока от мгновенного воздействия прямого тока через переход база-эмиттер.

Как показано на рис. 4, с повышением температуры напряжение пробоя увеличивается, подтверждая лавинный механизм пробоя. В дальнейшем резкий рост тока сменяется отрицательным участком, который затем приобретает положительный рост тока. При этом до предпробойного участка ток практически отсутствует в отличие от тиристорной структуры, которая как в режиме покоя, так и после переключения потребляет ток. Во включенном состоянии все переходы тиристора включены в прямом направлении.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика транзисторного элемента в режиме запирания эмиттера

Данная схема, как видно на рис. 5, обладает свойством модуляции входного сигнала отрицательной полуволной переменного рабочего напряжения. Шкала осциллографа С1-70 по вертикали для одной клетки соответствует 1 В, а по горизонтали одна клетка равна 1 мс.

Рис. 5. Осциллограммы модулированного входного сигнала с различной частотой (по вертикали клетка 1 В, по горизонтали 1 мс):
а) 400 Гц;
б) 600 Гц;
в) 1200 Гц;
г) 1600 Гц

По мере увеличения частоты входного сигнала плотность тока на нагрузке (R₂ = 100 Ом) увеличивается, приводя к увеличению выходной мощности. Величина максимального тока в пике зависит от величины рабочего напряжения и увеличивается до 100 мкА при напряжении 15 В (рис. 6).

Рис. 6. Зависимости колебаний тока от рабочего напряжения при входном синусоидальном напряжении 0,5 В частотой 400 Гц

Меняя частоту входного сигнала и рабочее напряжение, можно управлять мощностью выходного сигнала. Как видно из рис. 6, в интервале рабочих напряжений от 0 до 9 В ток отсутствует, а затем появляется и увеличивается близко к линейному с ростом рабочего напряжения.

Заключение

С помощью бистабильного транзисторного элемента с электрической памятью в предпробойном рабочем напряжении показана возможность модуляции входного сигнала от звукового генератора переменным рабочим напряжением отрицательной полярности. Изменяя частоту входного сигнала, можно управлять мощностью выходного сигнала и, соответственно, использовать для запуска различных приборов управления и создания устройств регулирования освещенности и температуры.