Изучение примесных полупроводников и диодных тиристоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Институт информационных технологий

Специальность: Промышленная электроника

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу: Электронные приборы

Студент-заочник 2 курса

Группы № 481971

Гавриленков Егор Олегович

Минск, 2015



Содержание

Введение

Задача №2

Задача №4

Теоретический вопрос №1

Теоретический вопрос №2

Заключение

Список литературы



Введение

Данная контрольная работа написана с целью введения в предмет - электронные приборы. Курс «Электронные приборы» изучает: классификацию электронных приборов по характеру рабочей среды, принципу действия и диапазону рабочих частот, основные свойства и особенности электронных приборов, роль электронных приборов в радиоэлектронике, телекоммуникационных системах, вычислительных комплексах и других областях науки и техники, значение курса как одной из базовых дисциплин радиотехнических специальностей. Главной целью является, самостоятельное изучение материала входящего в курс программы обучения.

Контрольная работа разделяется на теоретическую и практическую части, для самостоятельного выполнения. В практическую часть входит решение задач по поставленным заданиям. В теоретическую часть входит изучение примесных полупроводников и диодных тиристоров, их структурные схемы и характеристики.



Задача №2

Исходные данные:

Стабилитрон подключен для стабилизации напряжения параллельно резистору нагрузки R_H. Параметры стабилитрона U_cт=8 В; I_{cт min}=5 мА; I_{cт max}=30 мА и сопротивление нагрузки R_H=1кОМ. Определите величину сопротивления ограничительного резистора R_огр, если напряжение источника Е₀ изменяется от E_min=20 В до E_max=30 B. Будет ли обеспечена стабилизация во всем диапазоне изменений напряжения источника Е?

Решение:

Средний ток стабилизации:

При этом необходимая величина питания будет равна:

Отсюда можно найти необходимую величину ограничительного резистора:

Средняя величина питающего напряжения:

Ток нагрузки:

Из этого следует что:

Диапазон изменения напряжения будет равным:

Отсюда видно, что стабилизация получается во всем диапазоне изменения напряжения питания.

Задача №4

Исходные данные:

Фотодиод включен последовательно с источником питания и нагрузочным резистором R_Н=80 кОм. Обратный ток насыщения затемненного фотодиода (темновой ток) равен I₀=7 мкА.

Фототок диода в фотогальваническом режиме при коротком замыкании перехода составляет I_ф1=30 мкА при потоке световой энергии Ф₁; I_ф2=60 мкА при потоке световой энергии Ф₂; I_ф3=0 при потоке световой энергии Ф₃=0.

Вычислить и построить семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф₁, Ф₂ и Ф₃ в области напряжений U от 0 до - 10 В ( при расчетах принять, что фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т = 300 К).

Определить напряжение холостого хода U_xx перехода диода для Ф₁, Ф₂ и Ф₃ и значения Ф_1,2 (лм), считая токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке равной Si=1,5*10-2 мкА/лм.

Описать принцип работы, характеристики и параметры фотодиода.

Решение:

Ток, протекающий через фотодиод:

,

где ? фототок, ? тепловой ток перехода, U ? напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи R_н=?, I_общ=0 ? и напряжение при холостом ходе равно фото ЭДС:

.

Для фотодиода, работающего в фотодиодном режиме:

мкА

мкА

мкА

U, В	0	-0,01	-0,05	-0,1	-0,2	-1	-10
I1, мкА	-30	-32,24	-35,98	-36,85	-36,99	-37	-37
I2, мкА	-60	-62,24	-65,98	-66,85	-66,99	-67	-67
I2, мкА	0	-2,24	-5,98	-6,85	-6,99	-7	-7

Таблица значений для построения вольт-амперной характеристики.

Принцип работы фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, то есть способностью полупроводника генерировать электронно-дырочные пары внешнем облучении p-n-перехода оптическим излучением.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

1)без внешнего источника электрической энергии (вентильный режим);

2)с внешним источником электрической энергии (фотопреобразовательный режим).

Особенности:

1. простота технологии изготовления и структур;

2. сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия;

3. малое сопротивление базы;

4. малая инерционность.

Характеристики фотодиода:

1)Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость выходного напряжения от входного тока. U_Ц = f(I_Ц).

2)Спектральные характеристики - зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

3)Световые характеристики - зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

4)Постоянная времени - это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

5)Темновое сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

6)Инерционность.

Параметры фотодиода:

1.Величина фототока I_ф при номинальном световом потоке, определяемым заводом-изготовителем.

2.Рабочее напряжение ? обратное напряжение, которое прикладывается к фотодиоду.

3.Интегральная чувствительность.

4.Граничная частота фотодиода (до 10¹² Гц).



Теоретический вопрос №1 Температурная зависимость удельной проводимости примесного полупроводника

Ответ:

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного и акцепторного типа. Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников. При изучении электропроводности полупроводников следует подчеркнуть, что удельная проводимость, как практически измеряемая величина, содержит информацию об основных количественных параметрах исследуемого материала. Это связано с тем, что удельная проводимость зависит от концентрации носителей заряда, их подвижности и ширины запрещённой зоны (для собственного полупроводника), либо энергии активации примеси (для примесного полупроводника).

Если учесть, что температурная зависимость подвижности является степенной функцией медленно меняющейся с температурой, то можно сказать, что температурная зависимость удельной проводимости определяется, в основном, температурной зависимостью концентрации носителей заряда, изменяющейся по экспоненциальному закону.

Для примесного полупроводника ход температурной зависимости удельной проводимости аналогичен температурной зависимости концентрации, хотя имеет некоторые особенности.

Рис 1 Температурная зависимость удельной проводимости примесного полупроводника.

При низких температурах в полупроводнике отсутствуют собственные носители заряда, и проводимость определяется только примесными носителями, концентрация которых с ростом температуры экспоненциально растёт. Поэтому в полулогарифмическом масштабе удельная проводимость линейно зависит от обратной температуры. Наклон прямой до точки «а» определяется энергией активации примесных носителей заряда, т.е. Е_D, либо Е_А, причем tgв ~ Е_D, Е_А.

Следовательно, чем глубже находятся энергетические уровни примесных носителей заряда, тем круче участок примесной проводимости, что на рисунке показано штрих пунктирной линией, для которой (Е_D*, Е_А*) >Е_D, Е₃, что следует из соотношения:

tgв*>tgв.

В точке «а» все примесные атомы оказываются ионизированными. Концентрация свободных носителей с дальнейшим ростом температуры остаётся постоянной и равной концентрации примесных атомов N_D или N_A, а, следовательно, и удельная проводимость практически не изменяется с изменением температуры. На графике такому положению соответствует участок а-б. Однако, если в диапазоне температур 1/Т_S-1/Т_i подвижность с ростом температуры изменяется, то удельная проводимость будет либо уменьшаться - участок а-в, либо увеличиваться - участок а-г, в зависимости от того какой механизм рассеяния носителей преобладает или доминирует.

Поскольку температуры истощения примеси Т_S достаточно низкие (100...150)К, а температуры Т_i перехода к собственной проводимости очень высокие (400...500)К, то в этом интервале температур, обычно, удельная проводимость слегка увеличивается за счёт роста подвижности, а затем уменьшается из-за рассеяния носителей на тепловых колебаниях решётки, приводящих к уменьшению подвижности. Фактически, участок а-б не является линейным как показано на рисунке 1. Однако, изменение удельной проводимости на этом участке за счет температурной зависимости подвижности в области рабочих температур незначительна. Поэтому, в первом приближении, этими изменениями можно пренебречь, или для получения нужного значения у, учесть на этапе изготовления полупроводникового материала.

При достижении температуры Т_i начинается генерация собственных носителей заряда, поэтому концентрация свободных носителей увешается и, следовательно, растет уделывая проводимость. Поскольку рост концентрации по экспоненциальному закону, наклон прямой собственной проводимости (участок б-г-б*) пропорционален Е₃, причём

tgб ~ Е₃.

Изменение концентрации примесных атомов приводит к параллельному смещению графика, что показано пунктирной линией на рисунке 1, для которой N₂>N₁.

Следует подчеркнуть, что диапазон рабочих температур приборов находится в области (240...300) К, поэтому концентрации свободных носителей, а значит и удельная проводимость, будут определяться только концентрацией примeсных атомов N_D, N_A, введённых в полупроводник в процессе легирования.

Таким образом, задавая концентрацию примеси N_D, N_A, можно получить требуемое значение удельной проводимости о в пределах трех порядков ее величины.

По температурной зависимости удельной проводимости оказывается возможным экспериментальное определение энергии активации примеси Е_D, Е_А и ширины запрещенной зоны Е₃, поскольку

Е_D, Е_А ~ tgв, а Е₃ ~ tgб.

Теоретический вопрос №2 Диодный тиристор. Структура и принцип работы

тиристор резистор диод полупроводник

Ответ:

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, имеющие вольт-амперную характеристику S-типа.

В зависимости от числа выводов тиристоры бывают диодные (динисторы), триодные (тринисторы) и тетродные.

В основу тиристора положен монокристалл с чередующими р- и n-областями (рис 2). Крайние области p1 и n2 называются эмиттерами, а средние n1 и p2-базами. Крайние переходы П1, П3 называют эмиттерными, а средний переход П2 - коллекторным. Омический контакт к внешнему p-слою называется анодом, а к внешнему n-слою - катодом, а к базе - управляющим электродом.



Рис 2 Четырёхслойная структура тиристора (а), его вольтамперная характеристика (б), структура двухтранзисторного эквивалента тиристора (в), и условное обозначение: (г) динистор, (д) тиристор, управляемый по катоду, (е) тиристор, управляемый по аноду

Чтобы снять характеристику динистора, необходимо в качестве источника электрического питания использовать генератор тока. В зависимости от величины тока, протекаемого через тиристор между катодом и анодом, возникает соответствующая разность потенциалов. Если к аноду приложить отрицательное напряжение относительно катода, то все переходы закрыты и через структуру протекает обратный ток (участок ОА рис 2,б) - режим обратного запирания. А при дальнейшем увеличении обратного напряжения возможен электрический пробой (участок АЕ - режим обратного пробоя).

Пусть к аноду приложено небольшое положительное напряжение относительно катода (рис 2,а). Переходы П1 и П3 включены в прямом направлении, а переход П2 - в обратном, и поэтому почти все приложенное напряжение падает на нем. Участок ОВ вольт-амперной характеристики аналогичен обратной ветви характеристики диода и его называют режимом прямого запирания.

С увеличением анодного напряжения увеличивается прямое напряжение на эмиттерных переходах. Дырки, инжектированные из р₁-эмиттера в n₁-базу диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в p₂-базу, где и накапливаются. Дырки, остановленные потенциальным барьером П3, образуют в p₂-базе избыточный положительный заряд и одновременно понижают высоту потенциального барьера П3, что вызывает увеличение инжекции электронов из n₂-эмиттера в p₂-базу. Затем эти электроны диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в n₁-базу, и накапливаются в ней. Дальнейшему движению электронов препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Эти электроны, кроме того, понижают потенциальный барьер перехода П1 и способствуют росту инжекции дырок из p₁-области. Таким образом в тиристоре существует положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению тока через тиристор. В результате накопления избыточного положительного заряда в p₂-базе и отрицательного в n₁-базе происходит компенсация объемного заряда коллекторного перехода, его сопротивление резко падает, и при некотором U_ВКЛ (напряжении включения) происходит резкое возрастание тока, протекающего через тиристор, и одновременно уменьшается падение напряжения на всем тиристоре. Тиристор из закрытого состояния переходит в открытое, и этому соответствует участок В1 вольт-амперной характеристики (рис 2,б) с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

После того, как тиристор включился, все три перехода смещены в прямом направлении, и этому соответствует участок ГД вольт-амперной характеристики. Тиристор работает в режиме прямой проводимости. Ток, протекающий через тиристорную структуру, ограничивается только нагрузочным резистором, включенным последовательно с тиристором.

Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях - закрытом (выключенном) и открытом (включенном). Закрытое состояние характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и малым протекающим током, т.е. тиристор обладает большим сопротивлением. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1…3 В), а протекающий через него ток велик, тиристор имеет малое сопротивление.

Тиристор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока избыточный заряд в базах смещает коллекторный переход в прямом направлении за счет тока, протекающего через структуру.

Структура тиристора может быть представлена в виде соединения двух транзисторов, разной электропроводимости (рис 2,в), так что коллекторный ток транзистора p₁-n₁-p₂ является базовым током транзистора n₁-p₂-n₂, а коллекторный ток транзистора n₁-p₂-n₂ является базовым током транзистора p₁-n₁-p₂.

Таким образом, между базовыми и коллекторными токами транзисторов существует положительная обратная связь, которая обеспечивает переключение структуры при условии, что коэффициент положительной обратной связи больше единицы. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи

I_к1 = h_21б1I_э1 + I_кбо1 ; I_к2 = h_21б2 I_э2 + I_кбо2,

где h_21б1, h_21б2 - коэффициенты передачи постоянных токов эмиттеров транзисторов, I_кбо1, I_кбо2 - обратные токи коллекторов транзисторов.

Так как I_к=I_к1=I_к2, то получим:

I = h_21б1I + I_кбо1 + h_21б2 I + I_кбо2.

С учетом коэффициента лавинного умножения M в коллекторном переходе получим:

I = M[ I (h_21б1 + h_21б2) + I_кбо1 + I_кбо2],

где I_KO = I_кбо1+I_кбо2.

Рис 3 Структурная схема динистора с шунтированием эмиттерного перехода объёмным сопротивлением базы

В каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице даже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начальных величин коэффициента передачи одну из баз тиристора делают довольно толстой по сравнению с диффузионной длиной соответствующих неосновных носителей. На практике один из эмиттерных переходов шунтируется объемным сопротивлением базы (рис 3).

Такое шунтирование обеспечивает малые значения h_21б1, h_21б2 при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этом идет по шунтирующему сопротивлению базы, минуя эмиттерный переход ЭП2. При больших напряжениях уменьшается сопротивление ЭП2, и весь ток будет проходить через ЭП2, минуя шунтирующее сопротивление базы.

При таком конструктивном исполнении тиристор переходит в открытое состояние при постоянном напряжении включения, т.е. тиристор имеет жесткую характеристику переключения. При слабой зависимости h_21б1 и h_21б2 от напряжения и тока тиристора напряжение включения различно и тиристор имеет мягкую характеристику переключения. Обозначение динисторов в схеме показана на рисунке 2,г.



Заключение

В данной контрольной работе были изучены: классификации электронных приборов по характеру рабочей среды, принципу действия и диапазону рабочих частот, основные свойства и особенности электронных приборов, роль электронных приборов в радиоэлектронике, телекоммуникационных системах, вычислительных комплексах и других областях науки и техники, значения курса как одной из базовых дисциплин радиотехнических специальностей.

Темы поставленные для самостоятельного изучения были изучены. Были проработаны индивидуальные задачи для самостоятельного решения. Были проработаны индивидуальные теоретические вопросы.



Список литературы

1. Ф.А. Ткаченко «Техническая электроника», Мн., «Дизайн ПРО», 2000 г.

2. А.П. Казанцев, «Материалы и компоненты радиоэлектроники», Мн., БГУИР, 2009.

3. К.С. Петров, «Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника», Питер, 2004.

4. А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов, «Электронные приборы»,Мн., В.Ш,,1999.

Размещено на Allbest.ru

...