Основні властивості напівпровідникових матеріалів.

Основні властивості напівпровідникових матеріалів.

Напівпровідниками є речовини, що займають по величині питомої провідності проміжне положення між провідниками і діелектриками. Ці речовини володіють як властивостями провідника, так і властивостями діелектрика. Разом з тим вони володіють рядом специфічних властивостей, що різко відрізняють їх від провідників і діелектриків, основним з яких є сильна залежність питомої провідності від дії зовнішніх факторів (температури, світла, електричного поля та ін)

До напівпровідників відносяться елементи четвертої групи періодичної таблиці Менделєєва, а також хімічні сполуки елементів третьої й п'ятої груп типу AIII BV (GaAs, InSb) і другої й шостої груп типу AII B VI (CdS, BbS, CdFe). Провідне місце серед напівпровідникових матеріалів, використовуваних в напівпровідниковій електроніці, займають кремній, германій і арсенід галію GaAs.Основною властивістю напівпровідника є збільшення електричної провідності з ростом температур

Як поділяються напівпровідникові матеріали за електропровідностю?

За характером провідності

· Власна провідність

Напівпровідники, у яких вільні електрони і «дірки» з'являються в процесі іонізації атомів, з яких побудований весь кристал, називають напівпровідниками з власною провідністю. У напівпровідниках з власною провідністю концентрація вільних електронів дорівнює концентрації «дірок».

· Домішкова провідність

Для створення напівпровідникових приладів часто використовують кристали з домішкової провідністю. Такі кристали виготовляються за допомогою внесення домішок з атомами тривалентного або пятивалентного хімічного елемента.

 

По виду провідності

· Електронні напівпровідники (n-типу)

Напівпровідник n-типу. Термін «n-тип» походить від слова «negative», що позначає негативний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників має домішкову природу. У четирехвалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають домішка пятивалентного напівпровідника (наприклад, миш'яку). У процесі взаємодії кожен атом домішки вступає в ковалентний зв'язок з атомами кремнію. Однак для п'ятого електрона атома миш'яку немає місця в насичених валентних зв'язках, і він переходить на дальню електронну оболонку. Там для відриву електрона від атома потрібна менша кількість енергії. Електрон відривається і перетворюється в вільний. В даному випадку перенесення заряду здійснюється електроном, а не діркою, тобто даний вид напівпровідників проводить електричний струм подібно металам. Домішки, які додають в напівпровідники, внаслідок чого вони перетворюються в напівпровідники n-типу, називаються донорними.

· діркової напівпровідники (р-типу)

Напівпровідник p-типу. Термін «p-тип» походить від слова «positive», що позначає позитивний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників, крім домішкової основи, характеризується діркової природою провідності. У четирехвалентний напівпровідник (наприклад, в кремній) додають невелику кількість атомів тривалентного елемента (наприклад, індію). Кожен атом домішки встановлює ковалентний зв'язок з трьома сусідніми атомами кремнію. Для установки зв'язку з четвертим атомом кремнію в атома індію немає валентного електрона, тому він захоплює валентний електрон з ковалентного зв'язку між сусідніми атомами кремнію і стає негативно зарядженим іоном, внаслідок чого утворюється дірка. Домішки, які додають в цьому випадку, називаються акцепторними.

Провідність p-напівпровідників приблизно дорівнює:

Діоди.

 

Структура активної області: "pn".

 

Можливі застосування: випрямлення змінного струму, перетворення тагенерація сигналів. Основні різновиди діодів наведені в таблиці 3.

 

Біполярні транзистори.

 

Структура активної області може бути як "pnp", так і "npn".

 

Можливе застосування: це універсальні підсилювальні прилади, щопризначені для застосування в схемах підсилення, генерації таперетворення сигналів.

 

Тірістори.

 

Структура активної області: "pnpn".

 

Це - активний прилад, що призначений для роботи в якості швидкодіючогоелектронного ключа. У вимкненому стані (off) тірістор володіє великимопором і струм через нього надзвичайно малий, в увімкненому стані (on)опір тірістора малий і струм, який протікає через нього, може бутивеликим.

 

Уніполярні прилади.

 

Діоди з контактом метал-напівпровідник (діоди Шотткі).

 

Структура активної області: метал-напівпровідник.

 

Можливі застосування ті ж, що і у діодів з pn переходом.

 

Позначення цих діодів співпадає з позначеннями, які прийняті для діодівз "pn" переходом, оскільки їх основне функціональне призначення таке ж,як і у біполярних діодів.

 

Польові транзистори.

 

Польові транзистори можна розділити на дві великі групи: польовітранзистори з управляючим pn - переходом та польові транзистори зіструктурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН). Оскільки в якостідіелектрика в цих приладах часто використовується оксид кремнію, то їхіще називають МОН - транзисторами (за першими буквами сполучення слів:метал - окис - напівпровідник). Для позначення підкласу польовихтранзисторів використовується буква П. Оскільки ці транзистори виконуютьті ж функції, що і біполярні, для них в класифікаційному позначеннівикористовується ті ж елементи, що і для біполярних транзисторів (див.табл. 4, третю колонку). Так, наприклад, польові транзистори можуть матинаступні марки*: КП101, КП201, КП301, КП901 і т.п.

 

Принцип дії тиристора

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

 

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

· тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом.

· диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения,

· запираемый тиристор.

· симметричный тиристор или симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам.

· быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

· тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

· оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) - симистор

Двоперіодний випрямляч

Недоліком цієї схеми є неповне використання трансформатора - в кожен момент часу працює лише одна половина вторинної обмотки.

Місткова схема

Для збільшення потужності випрямленого струму використовується місткова схема. Чотири діоди під'єднані таким чином, що під час половини періоду працюють лише два з них, а під час наступної половини — два інші, даючи корисний струм в тому ж напрямку.

Электрические фильтры

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений (), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ().

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Классификацияфильтров

Названиефильтра	Диапазонпропускаемыхчастот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)	и , где

В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением

. .

(1)

В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности) , т.е. в соответствии с (1) , и . Следовательно, справедливо и равенство , которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре, а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае , т.е. и .

Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра, представленную на рис. 1,а.

Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т-образной схемы замещения определяется соотношениями (см. лекцию № 14)

или конкретно для фильтра на рис. 1,а

;

(2)

 

;

(3)

 

.

(4)

 

Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций (см. лекцию № 14), вытекает, что

.

Однако в соответствии с (2) - вещественная переменная, а следовательно,

.

(5)

Поскольку в полосе пропускания частот коэффициент затухания , то на основании (5)

.

Так как пределы изменения : , - то границы полосы пропускания определяются неравенством

,

которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне

.

(6)

Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4) имеем

.

(7)

Анализ соотношения (7) показывает, что с ростом частоты w в пределах, определяемых неравенством (6), характеристическое сопротивление фильтра уменьшается до нуля, оставаясь активным. Поскольку, при нагрузке фильтра сопротивлением, равным характеристическому, его входное сопротивление также будет равно , то, вследствие вещественности , можно сделать заключение, что фильтр работает в режиме резонанса, что было отмечено ранее. При частотах, больших , как это следует из (7), характеристическое сопротивление приобретает индуктивный характер.

На рис. 2 приведены качественные зависимости и .

Следует отметить, что вне полосы пропускания . Действительно, поскольку коэффициент А – вещественный, то всегда должно удовлетворяться равенство

.

(8)

Так как вне полосы прозрачности , то соотношение (8) может выполняться только при .

В полосе задерживания коэффициент затухания определяется из уравнения (5) при . Существенным при этом является факт постепенного нарастания , т.е. в полосе затухания фильтр не является идеальным. Аналогичный вывод о неидеальности реального фильтра можно сделать и для полосы прозрачности, поскольку обеспечить практически согласованный режим работы фильтра во всей полосе прозрачности невозможно, а следовательно, в полосе пропускания коэффициент затухания будет отличен от нуля.

Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рис. 1,б.

Схема простейшего высокочастотного фильтра приведена на рис. 3,а.

Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями

;

(9)

 

;

(10)

 

.

(11)

Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная. Поэтомунаосновании (9)

.

Данномунеравенствуудовлетворяетдиапазонизменениячастот

.

(12)

Характеристическоесопротивлениефильтра

,

(13)

 

изменяясь в пределах от нуля до с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра, нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме. Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с в ограниченном диапазоне частот.

Вне области пропускания частот определяется из уравнения

(14)

при . Плавное изменение коэффициента затухания в соответствии с (14) показывает, что в полосе задерживания фильтр не является идеальным.

Качественный вид зависимостей и для низкочастотного фильтра представлен на рис. 4.

Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рис. 3,б.

Полосовой фильтр формально получается путем последовательного соединения низкочастотного фильтра с полосой пропускания и высокочастотного с полосой пропускания , причем . Схема простейшего полосового фильтра

приведена на рис. 5,а, а на рис. 5,б представлены качественные зависимости для него.

У режекторного фильтра полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости для него приведены на рис.6.

В заключение необходимо отметить, что для улучшения характеристик фильтров всех типов их целесообразно выполнять в виде цепной схемы, представляющей собой каскадно включенные четырехполюсники. При обеспечении согласованного режима работы всех n звеньев схемы коэффициент затухания такого фильтра возрастает в соответствии с выражением , что приближает фильтр к идеальному.

Мостова схема випрямляча.

Переваги: У порівнянні з однополуперіодної схемою мостова схема має в 2 рази менший рівень пульсацій, більш високий КПД, більш раціональне використання трансформатора і зменшення його розрахункової потужності. У порівнянні з двухполуперіодної схемою бруківка має більш просту конструкцію трансформатора при такому ж рівні пульсацій. Зворотна напруга вентилів може бути значно нижче, ніж у перших двох схемах.

Недоліки: Збільшення числа вентилів і необхідність шунтування вентилів для вирівнювання зворотної напруги на кожнім з них.

Схема подвоєння напруги.

Переваги: Вторинну обмотку трансформатора можна розраховувати на значно меншу напругу.

Недоліки: Значні струми через вентилі випрямляча, Рівень пульсацій значно вище, ніж у схемах двухполуперіодних випрямлювачів.

Нелінійні ефекти

Насичення — обмеження діапазону можливих значень вихідної напруги. Звичайна вихідна напруга не може вийти за межі напруги живлення. Насичення має місце у разі, коли вихідна напруга «повинна бути» більше максимальної, або меншою від мінімальної вихідної напруги. ОП не може вийти за межі, і виступаючі частини вихідного сигналу «зрізаються» (тобто обмежуються).

Обмежена швидкість наростання. Вихідна напруга ОП не може змінитися миттєво. Швидкість зміни вихідної напруги вимірюється у вольтах за мікросекунду, типові значення 1 - 100 В/мкс. Параметр обумовлений часом, необхідним для перезаряджання внутрішніх ємностей ОП.

 

Що таке схема порівняння?

Схема порівняння – компаратор.

 

 

Основні властивості напівпровідникових матеріалів.

Напівпровідниками є речовини, що займають по величині питомої провідності проміжне положення між провідниками і діелектриками. Ці речовини володіють як властивостями провідника, так і властивостями діелектрика. Разом з тим вони володіють рядом специфічних властивостей, що різко відрізняють їх від провідників і діелектриків, основним з яких є сильна залежність питомої провідності від дії зовнішніх факторів (температури, світла, електричного поля та ін)

До напівпровідників відносяться елементи четвертої групи періодичної таблиці Менделєєва, а також хімічні сполуки елементів третьої й п'ятої груп типу AIII BV (GaAs, InSb) і другої й шостої груп типу AII B VI (CdS, BbS, CdFe). Провідне місце серед напівпровідникових матеріалів, використовуваних в напівпровідниковій електроніці, займають кремній, германій і арсенід галію GaAs.Основною властивістю напівпровідника є збільшення електричної провідності з ростом температур