Собственная и примесная электропроводность полупроводников.

Собственная и примесная электропроводность полупроводников.

К полупроводникам относят вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине их удельного электрического сопротивления.

Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда

электрон – дырка, называют собственной электропроводностью.

Электропроводность полупроводника, обусловленная ионизацией атомов донорной и акцепторной примесей, называют примесной электропроводностью. В зависимости от типа примеси возможна электронная электропроводность или дырочная электропроводность, обусловленная соответственно перемещением электронов или дырок. С повышением температуры собственная и примесная электропроводность увеличивается.

Носителями заряда является электрон, носителями энергии – дырки.

P-N–переход, его свойства, работа. Прямое и обратное включение. Виды пробоев.

Вольт-амперная характеристика.

P-N–переход образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную электропроводность. Образование перехода: допустим, что концентрация электронов в n-области полупроводника равна концентрации дырок в p-области. На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок, вследствие чего происходит диффузия дырок из p-области и электронов из n-области полупроводника. В результате p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, а n-область— нескомпенсированный положительный заряд. Прямое подключение: когда P подключается к ‘+’, а N к ‘-‘.

сопротивление уменьшается и ток, протекающий через P-N-переход, увеличивается (это диффузионный ток), дрейфовый ток снижается.

Обратное подключение. Возрастает сопротивление P-N-перехода, диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток увеличивается.

Св-ва перехода: односторонняя проводимость (т.е. при прямом включении ток проходит, при обратном практически равен 0); св-ва создавать собственное диффузионное поле; св-ва накапливать электрические заряды; переход зарядов из одной области в другую (св-во инжекции)

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины U_проб происходит резкое уменьшение сопротивления P-N-перехода. Это явление называют пробоем. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический делится на: Лавинный при котором происходит резкое увеличение обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении; туннельный возникающий при большой напряженности электрического поля в тонком p-n-переходе между высоколегированными полупроводниками в результате туннелирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то происходит дальнейший нагрев перехода и увеличение обратного тока, что может вызвать разрушение перехода. Это тепловой пробой.

Вольт- амперная характеристика.

 

1— прямая ветвь 2—обратная ветвь при лавинном пробое 3—обратная ветвь при тепловом пробое

 

Полупроводниковые диоды.

П/п диодом называют прибор с одним P-N-переходом и двумя
выводами.

Полупроводниковые приборы разделяют на 1) точечные; 2) плоскостные.

По способу внесения примесей: 1) сплавные; 2) диффузионные.

Типы диодов:

1. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных токов.

+

-

VD

I пр

U пр

Анод

Катод

U обр

І пр

І обр

U пр

U пр

І пр. max

U обр. max

І ст

ВАХ диода

Основные параметры: I _пр.max; U _пр = (0,5 − 1,5)B;

U _{обр. max}; I _обр; P _pac.max; C _меж.эл; f _пред.

Обозначения: Г − германий, К − кремний, А − арсенид галлия.

2. Кремниевые стабилитроны − для стабилизации напряжения. Исполь­зуется работа при обратной полярности.

+

-

Uобр

Uобр

Іпр

Uпр

І пр. max

Uст » const

DUст

DIст

DIст. min

DIст. max

DUст

 

ВАХ стабилитрона

Основные параметры: U_ст; I_ст.min; I_ст.max. .

− температурный коэффициент напряжения стабилизации (−0,05 ÷ +0,02)% С.

3. Туннельные диоды, в которых используется туннельный эффект (при эл. пробое происходит тоннелирование электронов из зоны P-слоя в зону N-слоя).

+

-

Iпр

Uпр

Iпр

Uпр

Iп max

Iвых

 

ВАХ туннельного диода

На ВАХ есть участок с отрицательным R д.

Основные характеристики I _п, I _п/ I _в. Применяются в генераторах ВЧ колебаний, в импульсных переключателях.

4. Обращенные диоды − разновидность туннельных диодов. Они обладают вентильными свойствами там, где выпрямительные диоды не обладают. I _п − ток пика. При I _обр име­ют наибольшую проводимость.

Iпр

Uпр

0,3 В

Iобр

Iпр = 0 при Uпр £ 0,3 В

Uп

ВАХ обращенного диода

5. Варикапы − полупроводниковые диоды, у которых ёмкость С с увеличением U _обр уменьшается, т.е. это элемент с управляемой емкостью.

Основные параметры: 1) общая емкость С_в при U = 2−5 В.

2) К _с = С _max/ С _min = (5÷20) − коэффициент перекрытия по емкости. Приме­няется в параметрических усилителях, при дистанционном управлении, в системах автоматической подстройки частоты.

-

+

Uобр

Uобр

С

U

 

Характеристика варикапа

 

6. Светодиоды, в которых P-N-переход излучает свечение. Этим свойством обладают п/п на основе карбида кремния, арсенида и фосфида галлия.
При прохождении через P-N-переход I _пр основные носители заряда инжектируют в соседние слои и рекомбинируют в граничных областях. При рекомбинации выделяется квант эл.-магн. энергии (фотон) количество излучаемого света зависит от I _пр. Применяются для контроля работоспособности элект­ронных цепей, индикации (цифровые, буквенные индикаторы).

7. Фотодиоды − используют внутренний фотоэффект.

Может работать в режиме фотогенера­тора, когда внешний источник ЭДС отсут­ствует и при освещении поверхности появляется фото-ЭДС, или в режиме фотопреобразователя, когда U _внеш подано в запирающем направлении;(участок оа) – фото-ЭДС; (участок об) – фотодиода; на участке аб – работа в режиме фотогенератора; на участке бв – работа в режиме фотопреобразователя.

-

+

Iф

R

Iпр

Uпр

а

б

в

 

Схема включения и ВАХ фотодиода

 

Солнечные фотоэлементы (батареи) на космических кораблях имеют η > 20%. Мощность солнечной батареи 200 вт/кг массы, 1кВт/м² поверхности.

Чувствительность интегральная S _I = I _ф/Ф (для германиевых S _I < 20 mA/лм).

 

8) Оптроны − в одном корпусе содержат источник излучения (светодиод) и приемник излучения (фоторезистор, фотодиод и т.д.).

 

фоторезисторный оптрон фотодиодный оптрон

Схемы включения оптронов

Оптроны – быстродействующие реле, элементы связи в электронных цепях, информация передается оптически.

9. Магнитодиод − ВАХ изменяется под воздействием магнитного поля.

10. Тензодиод − ВАХ изменяется под воздействием механических дефор­маций.

11. Высокочастотныей диоды.

12. Импульсные диоды.

Тиристоры

Тиристором называют электропреобразовательный полу­проводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, в вольт-ам­перной характеристике которого' имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления и который используется для пере­ключения. Материалом для изготовления тиристоров служит крем­ний.

Классификация и условное обозначение тиристоров

- диодные

-триодные

Управление по аноду:

Управление по катоду:

 

Применение: в управляемых выпрямителях

Принцип действия: При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 2.20, коллекторный p-n-переход закрыт(П₂), а эмиттерные переходы открыты(П_1,П₂). Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток

11.Управляемый выпрямитель. Схема, работа. Временные диаграммы. Характеристики. Выпрямителем называеться устройство, предназначенное для преобразавания переменного тока в постоянный. Осноыным элементом являеться полупроводниковый диод.

Выпрямители по применяемым элементам деляться на: управляемы и неупровляемые.

Отличием управляемых выпрямителей являеться использлвание управляемого диода –тиристора

(отличаеться наличием третьего управляющего элемента)

Схема упрв.выпрям. Временные диограммы a-угол регулирования,это разность начальных фаз U2 цепи управления

φа>φk

 

Как и диоды, тиристоры обладают односторонней проводимостью и могут находиться в двух состояниях открытом(прямое включение) и закрытом(обратное).

Переменное напряжение снимаеться с обмотки.Если управляющим импульсом открыть тиристоры во время положительных напряжений то ток через нагрузку будет протекать в одном напрвлении.При измининии фазы импульсов изменяеться длительность работы тиристора,а следовательно и величина напряжения на нагрузке.

Регулированиие осуществляеться измением угла –а от 0 до 180.

 

12. С-фильтр и L-фильтр. Схема включения. Работа, расчёт. Применения. Для снижения пульсаций выпрямляемого напряжения, т. е. уменьшения переменной составляющей, используют сглаживающие фильтры. Широкое применение получили емкостные фильтры. В них параллельно нагрузочному резистору выпрямителя подключается конденсатор, емкостное сопротивление которого для основной гармоники должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки. Благодаря этому переменная составляющая напряжения на нагрузке значительно уменьшается, и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения становится существенно меньше.

L-фильтр

Индуктивный фильтр включают последовательно с резистором R_Н. Включение индуктивного фильтра в однополупериодный выпрямитель существенно изменяет форму тока через резистор R_Н. В течении положительного полупериода напряжения u₂, когда ток i_н нарастает, катушка L_ф запасает энергию, которая в отрицательный полупериод расходуется на поддержание нагрузочного тока. Длительность импульсов i_н определяют постоянной времени т= L_ф/ R_Н. Чем больше L_ф катушки, тем больше накопленная в ней энергия и длительность импульсов нагрузочного тока. Однако величина этих импульсов с ростом индуктивности уменьшается благодаря падению напряжения на катушке.

Индуктивный фильтр более эффективно работает в двухполупериодных выпрямителях. Импульсы тока, проходящие поочередно через вентили В₁ иВ₂, создают в нагрузочном резисторе R_Н непрерывный ток. При этом коэффициент пульсаций p значительно уменьшается. Эффективная работа индуктивного фильтра наблюдается при больших нагрузочных токах и малых сопротивлениях нагрузочного резистора. В то же при уменьшении нагрузочного тока i_н за счет эдс самоиндукции к закрытому вентилю будет прикладываться большое обратное напряжение, что может вывести его из строя.

Температурная стабилизация

Недостаток усилителей − зависимость параметров транзисторов от температуры. Цепь уменьшает влияние температуры на режим. создает отрицательную обратную связь по постоянному току: с ростом температуры увеличиваются , увеличивается и уменьшается , значит уменьшится . Конденсатор устраняет отрицательную обратную связь по переменному току: так как ,то , тогда . (Введение при отсутствии за счет падения напряжения привело бы к уменьшению и к снижению коэффициента усиления . Явление уменьшения усиливаемого напряжения называют отрицательной обратной связью. Для ослабления отрицательной ОС включают , чтобы , тогда падение напряжения на незначительно и ).

1. Усиление сигнала связано с некоторыми отклонениями формы выходного сигнала от формы входного, т. е. усилитель вносит искажения.

Зависимость величины выходного напряжения от входного определяют по амплитудной характеристике, обозначающей динамический диапазон усилителя. При малых U _вх.min и больших U _вх.max значениях входного напряжения характеристика отклоняется от прямолинейной. Рабочим сигналом является диапазон от U _вх.min до U _вх.max.

2. Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты тока пропускаемого сигнала или . Если бы не было искажения, то эта характеристика представляла бы прямую линию, т. е. одинаково усиливались бы сигналы с частотой от 0 до ¥. Диапазон частот усилителя, в пределах которого он обеспечивает заданное значение K, называют полосой пропускания. Существует нижняя f _нч и верхняя f _вч границы частот. Например, полоса пропускания звуковых частот находится в пределах 50÷10 000 Гц и обеспечивает хорошее качество звучания. В телефонной связи используется диапазон частот 300÷3400 Гц. Те частоты, которые находятся за пределами диапазона приводят к частотным искажениям сигнала, которые определяются коэффициентом частотных искажений М:

М = К _ср._ч/ К, если М = 1, то искажений нет.

3. Фазочастотная характеристика − это зависимость угла сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f сигнала и

Характеристики каскадов ОЭ усилителя

Пунктиром показана ФЧХ усилителя без фазовых искажений. В усилителях звуковых частот фазовые искажения не играют существенного значения, так как не воспринимаются на слух при прослушивании речи или музыки. В импульсных усилителях фазовые искажения влияют на форму усиливаемых сигналов.

19. Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях понимают воздействие электрической цепи усилителя, при котором часть выходного сигнала подается на вход усилителя. Обратные связи в усилителях обычно создают специально, но иногда они возникают за счет паразитных ёмкостей, внутренних сопротивлений источников питания и др. Такие обратные связи называют паразитными. Если при наличии обратной связи входной сигнал складывается с сигналом обратной связи, в результате чего в усилитель поступает увеличенный сигнал, то такую обратную связь называют положительной. Если после введения обратной связи сигналы на входе и на выходе усилителя уменьшаются, что обусловлено вычитанием сигнала обратной связи из входного сигнала, то такую обратную связь называют отрицательной.

Различают последовательные обратные связи, когда цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные обратные связи, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Обратные связи подразделяют на обратные связи по напряжению и по току.

Положительная обратная связь повышает коэффициент усиления усилителя, но практически не применяют в электронных усилителях т.к. ухудшается стабильность коэффициента усиления. Отрицательную обратную связь, несмотря на снижение коэффициента усиления, широко используют в усилителях, т.к. 1) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов; 2) снижается уровень нелинейных искажений; 3) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя.

 

Плавкие предохранители

Плавкие предохранители предназначены для защиты электроустановок от токов короткого замыкания и длительных перегрузок. Они получили свое название от плавкой вставки – их основной детали. Плавкая вставка изготавливается из легкоплавких металлов и их сплавов (свинца, олова, цинка, иногда меди и серебра) и включают последовательно с защищаемой электроустановкой.

По всей электрической цепи, состоящей их последовательно соединенных предохранителя, проводов и электроустановки, по которым протекает один и тот же ток, самым слабым местом в тепловом отношении является плавкая вставка предохранителя. При протекании номинального тока она не расплавляется. Если же по каким то причинам (короткое замыкание огромная перегрузка) ток в цепи увеличивается, то температура плавкой вставки повышается и через некоторое время она расплавляется. Это равносильно отключению электроустановки.

Конструктивно предохранители делятся на предохранители пробочного типа и трубчатые.

Предохранители пробочного типа имеют фарфоровый корпус и плавкую вставку на 6, 10, 15 или 20 а. Номинальным током предохранителя является ток 20 А.

Трубчатые предохранители применяют в сетях напряжением до 1000 В, выпускают на токи 1000 А. Он состоит из фибровой трубки 1, плавкой вставки 2 и латунных колпаков 3, которые являются контактными частями.

Для защиты сетей с малыми токами (радиоприемники, телевизоры и т. п.) применяют предохранители со стеклянным патроном и плавкой вставкой в виде тонкой проволоки.

В силовых сетях широкое распространение получили предохранители с закрытыми разборными патронами без наполнителя серии ПР-2 на токи патронов 15…1000 А и плавких вставок 6…1000 А.

Собственная и примесная электропроводность полупроводников.

К полупроводникам относят вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине их удельного электрического сопротивления.

Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда

электрон – дырка, называют собственной электропроводностью.

Электропроводность полупроводника, обусловленная ионизацией атомов донорной и акцепторной примесей, называют примесной электропроводностью. В зависимости от типа примеси возможна электронная электропроводность или дырочная электропроводность, обусловленная соответственно перемещением электронов или дырок. С повышением температуры собственная и примесная электропроводность увеличивается.

Носителями заряда является электрон, носителями энергии – дырки.