Размещено на http://www.allbest.ru/

Плоскостные полупроводниковые диоды изготавливаются методом вплавления частиц полупроводника с проводимостью n-типа в монокристалл с проводимостью p-типа.

На границе возникает p-n переход. Область проводимостью p-типа называют анодом, проводимостью n-типа - катодом.

Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n перехода и соответственно больший выпрямительный ток, и рассеиваемую мощность. Однако также имеют большую ёмкость p-n перехода, что ухудшает их частотные свойства. диод резистор полупроводниковый

Точечные диоды изготавливают методом управляемой диффузии ионов металла в полупроводник. Имеют малую площадь p-n перехода, поэтому работает вплоть до области СВЧ, но имеют невысокий выпрямительный ток.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Классификация полупроводниковых диодов.

По технологическому исполнению:

плоскостные и точечные;

По конструктивному исполнению:

одноэлементные (один диод в одном корпусе);

диодные сборки (в одном корпусе два или более диодов);

По используемому материалу:

германиевые,

кремневые,

арсенид галлия;

По мощности:

маломощные,

средней мощности,

мощные,

диодные столбы;

По назначению различают следующие типы полупроводниковых диодов:

а) диоды точечные делятся на: диоды выпрямительные и СВЧ - диоды;

б) диоды плоскостные делятся на:

диоды выпрямительные;

стабилитроны или опорные диоды;

туннельные диоды;

обращённые диоды;

варикапы;

фотодиоды;

светодиоды;

фотоэлементы полупроводниковые.

Выпрямительные диоды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпрямительные полупроводниковые диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.

Рабочие частоты диодов мало и средней мощности не превышают 10-20 кГц, а большей мощности 50Гц.

Основной характеристикой выпрямительных диодов является вольтамперная:

Эксплуатационные параметры диодов:

Предельная рабочая температура:

Германиевых диодов - 850С;

Кремниевых диодов - 1500С;

Uпр.ср - среднее прямое напряжение на открытом диоде при номинальном выпрямляемом токе.

Зависит от типа полупроводника: 0,5В - Ge; 1,2B - Si; 2B - AjGa.

Средний обратный ток Iобр ср, ток утечки. Обратный ток через диод при максимальном Uобр. Зависит от мощности диода, материала и температуры, а также может зависеть от nА до mA.

Граничная частота fгр - частота без снижения режимов.

Предельные параметры диода:

Uобр.max- наибольшая амплитуда обратного напряжения (для германиевых 100-1000В, для кремниевых до 4000В).

Iпр.max - допустимое значение выпрямленного тока до 1000А.

Ррас.max - максимальная рассеиваемая мощность (достигает сотни кВт).

Для увеличения предельных параметров диоды можно соединить последовательно при этом Uобр.max < n•Uобрi.max.

При этом все диоды должны быть с одинаковыми характеристиками.

При параллельном соединении диодов Iпр.max < n•Iпрi.max .

Обозначение диодов.

(Б 1/Ц 1) Д (Ц Ц 3 Ц 4) [Б 2]

Б 1 Ц 1 - материал:

Г,1 - германий;

К,2 - кремний;

А,3 - арсенид галлия;

Буква для диодов общего применения, а цифра для диодов специального назначения.

Ц 2 - кодирует назначение и класс диода:

1 - маломощные;

2 - средней мощности;

3 - импульсные.

Ц 3 Ц 4 - порядковый номер разработки;

Б 2 - буква уточняющая параметры диода данного типа.

3. Стабилитроны.

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, работающий в области управляемого лавинного пробоя обратным напряжением и служит для стабилизации напряжения.

Вольт - амперная характеристика стабилитрона выглядит следующим образом:

Как видно в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется, при больших изменениях тока стабилизации Iст.

Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные параметры стабилитрона.

Uст ном - номинальное напряжение стабилизации - напряжение на середине участка стабилизации.

2. ?Uст=(Uст.max - Ucт.min) - рабочее напряжение стабилизации.

3. ТКИ - температурный коэффициент напряжения, который определяет изменение напряжения на стабилитроне (при заданном токе стабилизации), вызванное изменением температуры на 1 С.

ТКИ =(dU/Uст.ном)/dt•100 (%/c);

Он может быть как положительным, так и отрицательным. Для его компенсации, если требуется точное Uст, часто последовательно со стабилитронов в схему включают терморезистор с обратной характеристикой ТКИ.

Iст.min - ток соответствующий началу участка лавинного пробоя.

Iст.max - ток ограничивающий предельно-допустимое значение пробоя.

Rдин=dUcт/dIcт = ?Uст/(Iст.max - Iст.min)

динамическое сопротивление стабилитрона, которое определяет наклон вольтамперной характеристики и характеризует качество стабилитрона (чем меньше, тем лучше).

Тmax - максимальная рабочая температура.

Ррас - максимальная рассеиваемая мощность.

Ррас.max = Uст•Iст.max;

Один переход позволяет получить напряжение стабилизации от 3 до 100 В.

Для увеличения напряжения стабилизации стабилитроны можно соединить последовательно, однако при этом увеличивается Rдин.

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, поскольку из всех параллельно соединённых стабилитронов ток будет только в одном стабилитроне, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обозначение: КС (Ц 1 Ц 2 Ц 3) Б

Ц 1 - мощность и порядок стабилизации;

Ц 2 Ц 3 - Uст;

Б - буква, уточняющая прочие параметры

К примеру КС 165 - на 6,5 В ; КС 265 - на 65 В;

Фотодиоды и светодиоды

Фотодиод ФД - полупроводниковый прибор p - n типа, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте. При освещении в p - n переходе возникает фотоэлектрический эффект и в результате неравновесной концентрации носителей зарядов в p- и n-областях появляются электроны и дырки. Электроны и дырки пары движутся к p - n переходу, где разделяются и под действием контактной разности потенциалов не основные носители зарядов проходят через переход, образуя фототок.

а) б) в)

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. Характеристики фотодиодов:

а - вольтамперная, б - световая; Ф 0 Ф 1 Ф 2 и U0 U1 U2 световые потоки и напряжения на светодиоде.

Обозначения фотодиода (а), фотодиодный (б) и вентильный (в) режимы работы.

Если к n-области подсоединить плюс источника питания, а к p-области - минус, то и при отсутствии освещения через фотодиод будет проходить малый темновой ток, который возрастает при освещении.

Фотодиоды в основном характеризуются теми же параметрами, что и фоторезисторы.

Большинство фотодиодов имеют герметичные металлические корпуса с окном-отверстием закрытым стеклом. Чтобы обеспечить наилучшее попадание света на p - n переход, фотодиоды снабжают миниатюрными собирательными линзами, вмонтированными в их корпус. Фотодиоды предназначены для работы в видимой области спектра, а также в области инфракрасных частот.

Германиевые фотодиоды широко применяют в качестве индикаторов инфракрасного излучения; кремниевые в качестве фотоэлементов для преобразования световой энергии в электрическую, а селеновые для фотоэкспонометров и светотехнических измерений.

Светодиоды

Светодиоды - полупроводниковые приборы, преобразующие электрические сигналы в световые.

Основными характеристиками светодиодов являются его яркостная (или ватт амперная) характеристика, прямой ток, прямое и обратное напряжение.

Для изготовления светодиодов используются такие полупроводниковые материалы, как, например, арсенид и фосфид галлия. Спектральный состав излучения зависит от материала полупроводника и введенных примесей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Схема включения светодиода и яркостная характеристика.

Так, длина волны излучения приборов из фосфида галлия соответствует зеленому цвету, а введением примесей можно получить более длинноволновое излучение, которое соответствует желтому или красному цвету.

Светодиоды нуждаются в источнике питания с большим внутренним сопротивлением. Для этого последовательно с источником питания включают резистор R, что уменьшает наклон яркостных характеристик, и проходящий через светодиод ток меньше зависит от напряжения питания.

В группу светодиодов помимо светоизлучающих диодов входят также инфракрасные излучающие диоды ИК и линейные шкалы.

Основные параметры ИК - диодов - прямое и обратное напряжения и прямой ток.

ИК - диоды широко применяются в схемах автоматизации и автоматического регулирования.

Линейные шкалы (светящиеся столбики) изготовляют в виде пластин на основе светоизлучающих диодов и представляют собой интегральную микросхему, в которой размещены электрически соединенные светодиоды. Их электрические и эксплуатационные характеристики такие же, как у светодиодов. Линейные шкалы используются для быстрого наглядного изображения изменяющейся информации многоканальных систем.

Светодиоды обладают низким КПД, а некоторые из них могут также с течением времени изменять отдельные параметры - деградировать во времени. Низкие напряжения и малые токи, свойственные светодиодам, позволяют применять их в низковольтных транзисторных схемах.

Инерционность светодиодов не превышает 10-6 - 10-8 с, что позволяет применять их в импульсных режимах на частотах до 100 кГц.

Светодиоды широко применяют в индикаторных схемах, электронных цифровых часах, системах ночного видения, ядерной радиоэлектронике, автоматике, вычислительной технике и т. д.

3. Полупроводниковые транзисторы

Классификация полупроводниковых транзисторов:

По исходному материалу:

германиевые;

кремниевые;

По рассеиваемой мощности:

малой Pmax < 0,3 Вт;

средней 0,3 < Pmax < 1,5 Вт;

большой Pmax > 1,5 Вт

По частоте сигнала:

низкочастотные fгр < 3 МГц;

средней частоты 3 < fгр <30 МГц;

высокочастотные 30 < fгр < 300 МГц;

СВЧ fгр > 300 МГц;

По типу различают:

биполярные и полевые транзисторы.

Биполярные бывают в зависимости от чередования слоёв p-n-p и n-p-n.

p - n - p n - p - n

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые в зависимости от вида материала канала бывают: с n-каналом и с p-каналом.

В свою очередь они делятся на:

с управляющим p-n переходом;

Размещено на http://www.allbest.ru/

с изолированным затвором;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор - это трёх выводной полупроводниковый прибор на основе двух p-n переходов предназначенный для усиления мощности электрического тока.

Состоит из трёх слоёв полупроводника с чередующимися типами проводимости, на границе которых образуются p-n переходы. В зависимости от порядка чередования слоёв различают p-n-p транзисторы и n-p-n .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эмиттер - электрод, эметтирующий (испускающий) носители заряда.

Коллектор - принимает носители заряда поступающие с эмиттера.

База - подключена к среднему слою с другим типом проводимости управляющей потоком носителей.

Соответственно электронно-дырочный переход эмиттер - база называется эмиттерный, а переход коллектор - база - коллекторный.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биполярный транзистор можно представить как два встречно включённых диода.

На переход эмиттер - база напряжение подаётся в прямом направлении Uбэ. Поэтому даже при небольших напряжениях в нём возникают значительные токи.

На переход коллектор - база напряжение Uкб подаётся в обратном направлении.

Когда Uкб = Uбэ все токи через транзистор Iк = Iэ = IБ равны нулю, поскольку диффузионные и дрейфовые токи переходов равны и противоположны по направлению. Поэтому напряжение Uкб обычно больше в несколько раз чем Uбэ.

Рассмотрим принцип работы.

Когда Iэ = 0, небольшой ток в транзисторе через коллекторный переход Iко обусловлен движением не основных носителей заряда (дырок из коллектора в базу, электронов из базы в коллектор). При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как Uбэ прямое напряжение, то электроны преодолевают барьер и попадают в область базы.

База выполнена из р-полупроводника, поэтому электроны для неё являются не основными носителями заряда. Они частично рекомбинируют с дырками базы и возникает ток рекомбинации.

Базу, как правило выполняют из р-полупроводника с меньшей концентрацией примесей (большим R) и очень тонкой. Поэтому концентрация дырок в базе очень малая и лишь немногие электроны, попавшие в базу рекомбинируют образуя базовый ток Iб.

Большинство же электронов вследствии теплового движения (диффузии) и под действием поля коллектора образуют соответствующую коллекторного тока Iк.

Связь между приращением эмиттерного и коллекторного тока характеризуется коэффициентом передачи тока:

 при Uкб=const ? при Uкб=const.

Коэффициент передачи всегда меньше единицы и для современных биполярных транзисторов составляет: б=0,9 - 0,995

В рассмотренной схеме базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей.

Такую схему включения транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерная цепь является входной, а коллекторная выходной. Эту схему применяют очень редко. В качестве основной принята схема с общим эмиттером:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Входной ток является током базы, а выходной - ток коллектора:

Iэ = Iк + Iб;

Iб = Iк /(Iэ - Iк) = Iк /в + Iко;

Iк = Iб•в,

где в - это коэффициент усиления тока.

При этом транзистор в такой схеме характеризуется двумя важнейшими вольт - амперными характеристиками:

Входная характеристика - это зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1(Uбэ). Иногда её называют базовой характеристикой.

Выходные характеристики - это зависимость тока коллектора от напряжения Uкэ при фиксированных значениях тока базы: Iк = f2 (Uкэ) при Iб = const, т.е. это семейство выходных характеристик, которые приблизительно равноудалены друг от друга и прямолинейны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрическое состояние транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб, Uбэ, Iк, Uкэ и зависимостями между ними:

Rвх = dUкэ/dIб, при Uкэ = const = h11э (входное сопротивление транзистора);

Rвых = dUкэ/dIк, при Iб =const= 1/h22э (выходное сопротивление транзистора);

h22э - выходная проводимость;

в = dIк/dIб, при Uкэ - const = h21э - коэффициент передачи тока.

h12э = dUбэ/dUкэ, при Iб = const - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению.

h12э?0,002 - 0,0002 .

Предельные параметры.

Uкэ < Uкэ max - может произойти коллекторный пробой.

Iк < Iк max - аналогичное.

Рк = Iк•Uкэ < Рк.max - максимальная рассеиваемая мощность для предотвращения перегрева транзистора.

В целях увеличения Рк.max в мощных транзисторах к коллектору присоединяют теплоотвод.

fгр - граничная частота коэффициента передачи тока, когда h21э становится равным единице.

Обозначение:

(Ц 1/Б 1)-Т(Ц 2Ц 3Ц 4Ц 5)[Б 1]

Ц 1 - материал;

Ц 2 - код группы: 1 - малой мощности;

2 - средней мощности;

8 - мощный средней частоты.

Ц 3 Ц 4 Ц 5 - номер разработки;

Б 2 - уточняющий параметр.

4. Полевые транзисторы

Полевым транзистором называют элекропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности.

Каналом называют центральную область транзистора.

Электрод, из которого в канал вводят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводимости исходного материала подразделяют на транзисторы с p-каналом и n-каналом.

Полевой транзистор с управляющим переходом - это полевой транзистор,

у которого затвор электрически отделён от канала закрытом p-n переходом. В транзисторе с n-каналом - основные носители электроны, которые движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока Ic. Между затвором и истоком приложено напряжение, запрещающее p-n переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора таким образом Uси > 0 и Uзи ? 0, т.е полярность должна быть противоположна.

При Uзи = 0 - сопротивление канала минимальное, а ток стока максимальный. Ic.max, при Uси = Uст max называется начальным током стока и нормируется при Uси.max.

При подаче запирающего напряжения на p-n переход между затвором

и каналом на границах возникает равномерный слой, обеднённый носителями и обладающий высоким удельным сопротивлением, при этом канал обедняется носителями заряда и ток стока соответственно уменьшается. Напряжение Uзи, при котором Ic уменьшается до минимального нормированного уровня называют напряжением отсечки.

Для полевых транзисторов получают две характеристики:

а) стоко-затворная (входная); б) стоковая (выходная)

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

крутизна характеристики S = dIc/dUзи, при Uси = const.

дифференциальное сопротивление стока (выходное)

Rвых = dUси /dIc, при Uзи = const.

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от этих тем, что канал в них изолирован тонким слоем диэлектрика, обычно SiO2, а p - n переход в них отсутствует.

Такие полевые транзисторы часто называют МДП - транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник) или МОП - транзисторами (металл - оксид - полупроводник).

Вольтамперные характеристики этих транзисторов в основном аналогичны характеристикам транзисторов с управляющим p - n переходом, но в тоже время изолированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком, т.е. при Uзи > 0. В этой области расширение канала и увеличение тока стока Ic.

В качестве предельно допустимых параметров нормируются:

Uси max и Uзи max, Ic max.

Обозначение: (Ц 1Б 1) П(Ц 2Ц 3Ц 4)Б

Ц 2 - код группы;

Ц 3 Ц 4 - номер разработки;

Фототранзисторы.

Биполярный фототранзистор полупроводниковый прибор с двумя p - n переходами - предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируются электронно-дырочные пары. Не основные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, т.е. фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим - отношение светового тока Iс к темновому Iт, велико (несколько сотен).

а) б) в)

Рис. Схемы включения фототранзистора:

а - со свободным коллектором, б - со свободной базой, в - со свободным эмиттером.

Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током базы фототранзистора и создает усиленный в N раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Фототранзисторы можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером.

В оптоэлектронике и автоматике фототранзисторы используют для тех же целей, что и фотодиоды, но они уступают им по порогу чувствительности и температурному диапазону.

Полевые фототранзисторы аналогичны полевым транзисторам с p-n-затвором. Запирающее напряжение на p-n-переходе закрывает транзистор. Под действием освещения обратный ток затвора, как и в фотодиоде возрастает. При этом потенциал затвора возрастает и полевой фототранзистор открывается.

5. Тиристоры

Тиристоры - двух или трёх электродные полупроводниковые приборы на основе трёх и более p-n переходов, вольтамперные характеристики которого имеют участок отрицательного динамического сопротивления.

Тиристоры бывают:

диодные, неуправляемые или динисторы;

триодные, управляемые или тринистроны, которые в свою очередь бывают управляемые по катоду и аноду.

Симметричные диодные и триодные тиристоры называемые симисторами, которые также бывают управляемые и неуправляемые.

Неуправляемые Управляемые

Принцип работы.

Питающее напряжение подаётся на тиристор таким образом, что переходы П 1 и П 3 оказываются открытыми, а переход П 2 закрытым. Сопротивления открытых переходов незначительны поэтому всё напряжение Uпр приложено к закрытому переходу П 2 имеющему высокое сопротивление, поэтому ток тиристора мал.

При повышении напряжения Uпр ток тиристора увеличивается незначительно, пока Uпр не приблизится к Uвкл (включения). После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда в p - n переходе П 2 и снижение напряжения на тиристоре до 0,5 - 1В, т.е этот участок характеристики характеризуется мгновенным отрицательным сопротивлением R.

При дальнейшем росте U, ток через тиристор растёт в соответствии с вертикальным участком характеристики.

Вольтамперная характеристика тиристора.

Такой пробой не вызывает разрушения перехода П 2. При уменьшении тока через тиристор происходит восстановление свойств перехода П 2. Напряжение Uвкл, при котором происходит пробой может быть снижено, введением не основных носителей в любой из слоёв прилегающих к переходу П 2, т.е. при росте тока управления снижается пробивное напряжение. Это показано семейством кривых

При подаче на тиристор обратного напряжения в нём возникает небольшой ток, поскольку в этом случае закрыты переходы П 1 и П 3.

В симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь характеристики совпадает с прямой. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырёхслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя p - n переходами.

Основные параметры тиристора.

Uвкл - при Iпр = 0;

Uобр max;

Iпр max;

Iпр уд - ток удержания обратного состояния;

Iупр - ток управляющего электрода;

У симисторов отсутствует Uобр max;

Тиристоры изготавливают как маломощные Iпр max < 1A, Uобр max < 100B, так и силовые Iпр max 2 и > kA, Uобр max - 4 >kB.

Обозначение: неуправляемые управляемые

(К/2)У(Ц 1Ц 2Ц 3)Б (К/2)М(Ц 1Ц 2Ц 3)Б

Ц 1 - материал;

Ц 2Ц 3 - номер разработки.

Размещено на Allbest.ru