Контакты с собственными полупроводниками

При контакте с полупроводником i-типа электроны и дырки переходят в противоположную область, возникает ОПЗ, но внутреннее электрическое поле оказывается меньше, чем в p-n переходах.

Пробой в p-i и n-i переходах возникает при больших напряжениях, что позволяет использовать их в pin-диодах, рассчитанных на большие обратные напряжения.

Полупроводниковые резисторы

Варисторы

 

Варистор – это резистор, сопротивление которого зависит от приложенного внешнего напряжения.

Условное графическое обозначение (УГО) варистора на электрических схемах:

Варисторы изготавливают из карбида кремния или оксида цинка и керамического связующего материала (глина, жидкое стекло, различные лаки и смолы).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора:

При низких напряжениях сопротивление варистора мало, поэтому его ВАХ нелинейна. При высоких – сопротивление увеличивается и ВАХ становится линейной.

Основные параметры варистора:

- Iном – номинальный ток;

- Uном – номинальное напряжение;

- Pmax – максимально-допустимая рассеиваемая мощность, равная произведению напряжения и тока, протекающего через терморезистор;

- rдиф – дифференциальное сопротивление.

Дифференциальное сопротивление – это сопротивление какого-либо участка вольт-амперной характеристики: rдиф = DU / DI

Варисторы используются для защиты элементов от перенапряжения и контактов реле от разрушения, а также в маломощных стабилизаторах напряжения.

Терморезисторы

 

Терморезистор – это резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Различают термисторы и позисторы.

Термистор – это терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При повышении температуры его сопротивление падает.

Позистор – это терморезистор с положительным ТКС. При повышении температуры его сопротивление растёт.

Условные графические обозначения (УГО) терморезисторов:

Термисторы изготавливают из полупроводников или оксидов некоторых металлов, у которых проводимость растёт с ростом температуры.

Позисторы изготавливают из титаната бария с примесями, который в определённом диапазоне температур на несколько порядков увеличивает своё сопротивление.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) термистора:

Участок 1 – Напряжение термистора мало. Он имеет низкую температуру, поэтому его сопротивление велико, а ток – мал.

Участок 2 – Термистор разогревается. Его сопротивление падает. Ток растёт. Напряжение схемы перераспределяется по элементам, поэтому на термисторе оно падает.

Основные параметры терморезистора:

- Rт – номинальное сопротивление при 20°C;

- ТКС – температурный коэффициент сопротивления;

- Tmax – максимальная температура нагрева;

- Pmax – максимально-допустимая рассеиваемая мощность

Терморезисторы используются в качестве датчиков температуры и для температурной стабилизации схем.

 

Фоторезисторы

 

Фоторезистор – это резистор, сопротивление которого меняется под воздействием видимого, инфракрасного или ультрафиолетового излучения.

Условное графическое обозначение (УГО) фоторезистора:

Конструкция фоторезистора:

Фоточувствительная плёнка или пластинка изготавливается из сульфида кадмия, селенида кадмия или сульфида свинца.

Без освещения по фоторезистору течёт лишь малый темновой ток. Если осветить фоторезистор, то в результате фотоэффекта валентным электронам в фоточувствительной плёнке будет сообщена энергия и они перейдут из валентной зоны в зону проводимости. Через плёнку потечёт большой световой ток.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоторезистора:

Чем больше световой поток Ф и напряжение U, тем больше ток I фоторезистора.

Основные параметры фоторезистора:

- Iт – темновой ток;

- Rт – темновое сопротивление;

- Iсв – световой ток – ток при рабочем напряжении и освещённости 200 люкс (лк);

- Iф – фототок = Iсв – Iт.

Фоторезисторы используются как датчики освещённости.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный прибор, имеющий один p-n переход и два вывода – анод (А) и катод (К).

       Условное графическое обозначение (УГО) и внутренняя структура диода:

       Классификация диодов:

1) По назначению: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, обращённые диоды, сверхвысокочастотные (СВЧ), светодиоды, фотодиоды, оптопары и др.

2) По конструкции:

       - точечные – в них площадь p-n перехода намного меньше толщины ОПЗ (имеют малую ёмкость, работают на высоких и сверхвысоких частотах, являются маломощными);

       - плоскостные – в них площадь p-n перехода намного больше толщины ОПЗ (работают на низких частотах, имеют среднюю и большую мощность).

3) По технологии изготовления:

       - сплавные – изготавливают сплавлением полупроводников (имеют резкий p-n переход, работают на низких частотах);

       - диффузионные – изготавливают легированием (внедрением) атомов примеси одного типа в полупроводник другого типа (имеют плавный p-n переход);

       - эпитаксиальные – изготавливают эпитаксиальным наращиванием одного типа полупроводника на другой (имеют резкий p-n переход).

Выпрямительный диод

 

Принцип работы выпрямительного диода основан на односторонней проводимости p-n перехода.

Подвидом выпрямительных диодов являются импульсные диоды (к ним в том числе относятся диоды Шоттки), которые выпрямляют импульсные сигналы.

Условные графические обозначения (УГО) выпрямительного диода и диода Шоттки:

       Рабочий участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) выпрямительного диода:

       Основные параметры выпрямительных диодов:

       - U_пр – номинальное прямое напряжение;

       - I_обр – номинальный обратный ток;

       - r_диф = DU / DI – дифференциальное сопротивление.

       Предельно-допустимые параметры:

       - I_прmax – максимальный допустимый прямой ток;

       - U_обрmax – максимальное допустимое обратное напряжение;

       - P_max – максимальная допустимая мощность рассеивания.

       Выпрямительные диоды пропускают ток только в прямом направлении. Они используются в однополупериодных и двухполупериодных выпрямителях.

 

 

       Однополупериодный выпрямитель – это узел, предназначенный для преобразования переменного напряжения в постоянное. Его схема:

- Uвх – источник входного переменного напряжения;

- T – трансформатор, преобразует переменное напряжение в напряжение меньшего уровня, на которое рассчитан диод;

- VD – выпрямительный диод, пропускает только положительную половину входного напряжения, преобразуя переменное напряжение в пульсирующее;

- C – конденсатор, сглаживает пульсации напряжения;

- Rн – резистор нагрузки, с него снимается выходное напряжение Uвых.

Временные характеристики однополупериодного выпрямителя:

Принцип работы схемы без конденсатора:

При положительной полуволне диод открыт. Его сопротивление и напряжение малы. Из-за этого большая часть напряжения со вторичной обмотки трансформатора прикладывается к резистору нагрузки. Выходное напряжение повторяет по форме входное.

При отрицательной полуволне диод закрыт. Его сопротивление и напряжение велики. Поэтому большая часть напряжения вторичной обмотки трансформатора прикладывается к диоду. Выходное напряжение близко к нулю.

Таким образом, на выходе получается пульсирующее напряжение. При включении конденсатора, он заряжается и разряжается, сглаживая пульсации.

 

 

Стабилитрон

       Принцип работы стабилитрона основан на лавинном пробое p-n перехода. Его УГО:

       Подвидом стабилитрона является стабистор. Стабилитрон работает в обратном включении на участке лавинного пробоя, а стабистор – в прямом включении.

       ВАХ стабилитрона:

       Основные параметры стабилитрона:

       - U_ст – напряжение стабилизации – обратное напряжение лавинного пробоя;

       - I_стmin – минимальный ток стабилизации – минимальный обратный ток, при котором наступает устойчивый лавинный пробой;

       - I_стmax – максимальный ток стабилизации – максимальный допустимый обратный ток, при котором не возникает опасности теплового пробоя.

       - r_диф = DU_ст / (I_стmax – I_стmin) – дифференциальное сопротивление.

       Стабилитрон предназначен для удерживания напряжения на одном уровне и используется в стабилизаторах напряжения. Схема и временные характеристики параметрического стабилизатора напряжения:

       Принцип работы стабилизатора напряжения: Если входное напряжение Uвх незначительно повышается, то увеличиваются и токи в резисторе R₀ и стабилитроне VD. Из-за этого напряжение резистора R1 повышается, но на стабилитроне VD, из-за лавинного пробоя, напряжение не меняется. Нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону, поэтому напряжение на ней тоже не меняется. Таким образом, при незначительных колебаниях входного напряжения, выходное напряжение почти не колеблется.

 

Варикап

Принцип работы варикапа основан на барьерной ёмкости p-n перехода. Его УГО:

       Варикап обычно работает в обратном включении. Его вольт-фарадная характеристика:

       Основные параметры варикапа:

       - C_ном – номинальная ёмкость;

       - C_max – максимальная ёмкость;

       - C_min – минимальная ёмкость;

       - K_c = C_max / C_min – диапазон перекрытия емкостей.

       Варикап используется в качестве элемента, ёмкость которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используется в колебательных контурах с регулируемой ёмкостью. Схема колебательного контура с регулируемой ёмкостью:

 

       Катушка с индуктивностью L, конденсатор с ёмкостью C и варикап VD с ёмкостью C_VD образуют колебательный контур, который не пропускает со входа U_вх колебания резонансной частоты f_рез:

       Меняя напряжение источника питания U_пит или переменного резистора R2, можно регулировать ёмкость варикапа VD и, следовательно, резонансную частоту.

 

 

Туннельный диод

Принцип работы туннельного диода основан на туннельном пробое. Его УГО:

       Туннельные диоды изготавливают из вырожденных полупроводников, у которых туннельный провой возникает в обоих включениях. ВАХ туннельного диода:

       Основные параметры туннельного диода:

       - I_п – ток пика;

       - I_вп – ток впадины;

       - U_п – напряжение пика;

       - U_вп – напряжение впадины;

       - r_диф = (U_вп – U_п) / (I_вп – I_п) – дифференциальное сопротивление (отрицательное);

       - C_д – ёмкость диода.

       Принцип работы туннельного диода: В обратном включении из-за туннельного эффекта возникает туннельный пробой, поэтому ток велик. В прямом включении на участке между нулевым значением напряжения и пиком также возникает туннельный пробой. Между пиком и впадиной туннельный эффект уменьшается, поэтому ток падает. После впадины ОПЗ полностью исчезает, поэтому ток вновь становится велик.

       В схемах туннельный диод обычно работает в прямом включении на участке отрицательного дифференциального сопротивления (от пика до впадины). Туннельный диод используется в некоторых высокочастотных усилителях, а также для восполнения потерь энергии в колебательных контурах:

Обращённый диод

Принцип работы обращённого диода основан на туннельном пробое. Его УГО:

       Обращённые диоды изготавливают из полупроводников с высокой концентрацией примесей, но меньше, чем в вырожденных полупроводниках.

       ВАХ обращённого диода:

       Принцип работы обращённого диода: В обратном включении из-за туннельного эффекта возникает туннельный пробой, поэтому ток велик. В прямом включении туннельный эффект не возникает, но внутреннее электрическое поле очень велико. Поэтому ток через диод мал. Когда ОПЗ исчезает, ток резко увеличивается.

Обращённый диод используется на высоких и сверхвысоких частотах. При этом может использоваться как их односторонняя проводимость, так и нелинейность ВАХ.

 

Сверхвысокочастотные диоды

 

Сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды) работают на сверхвысоких частотах (больше 1 ГГц). К ним относятся:

- детекторные – используются для детектирования сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ-сигналов) – преобразования их в сигналы более низкой частоты;

- смесительные – преобразуют СВЧ-сигналы в сигналы промежуточной частоты;

- параметрические – работают в параметрических СВЧ-усилителях;

- умножительные – используются в СВЧ-умножителях, увеличивающих уровень сигнала в несколько раз;

- переключательные (pin-диоды) – коммутируют СВЧ-сигналы;

- генераторные – генерируют сигналы СВЧ-частоты.

 

Светодиод

 

Светодиод – это диод, который излучает свет при прохождении по нему тока в прямом направлении. Его УГО:

Конструкция светодиода:

При прямом включении в диодах возникает диффузия. Электроны и дырки диффундируют в противоположную область и рекомбинируют друг с другом.

При рекомбинации электрон перемещается из зоны проводимости в валентную зону. При этом его внутренняя энергия W уменьшается, а разница энергий выделяется в виде тепла и/или излучения (например, света).

Светодиоды изготавливают из арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния. Цвет свечения зависит из примесей. Например, оксид цинка даёт красный цвет; азот – зелёный; а оксид цинка и азот – жёлтый или оранжевый.

Основные параметры светодиода:

- цвет свечения;

- яркость свечения;

- Iпр – прямой ток;

- Uпр – прямое напряжение.

Светодиоджы используются в качестве элементов индикации.

 

 

Фотодиод

 

Фотодиод – это диод, который преобразует свет в электрический ток. Его УГО:

Конструкция фотодиода:

Фотодиод включается в обратном включении. При отсутствии света, через него течёт лишь малый темновой ток. При подаче на p-область светового потока Ф – валентным электронам в p-n переходе сообщается энергия и они переходят из валентной зоны в зону проводимости, что значительно повышает ток:

ВАХ фотодиода:

Чем больше световой поток Ф, тем больше обратный ток фотодиода.

Основные параметры фотодиода:

- Uобр – номинальное обратное напряжение;

- Uобрmax – максимально-допустимое обратное напряжение;

- Iт – темновой ток;

- Iф – фототок.

Фотодиоды используются как датчики света. Они имеют примерно в 100 раз большее быстродействие, чем фоторезисторы.

 

Биполярные транзисторы