Ім'я файлу: Діоди, транзистори і тиристори.docx
Розширення: docx
Розмір: 188кб.
Дата: 20.11.2023
скачати


Міністерство освіти і науки України

ВСП «Бурштинський енергетичний фаховий коледж

Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу»

Реферат

З дисципліни: «Електронні пристрої систем керування»

на тему: «Діоди, транзистори і тиристори»

Студента ІІI курсу групи: 3Еб2-22

Луців Р.А.

Викладач: Кушнірюк Б.М.

м. Бурштин – 2023

Силові напівпровідникові елементи

Класифікація силових напівпровідникових елементів, яка  історично склалася на шляху їх  розвитку представлена на рис.1.1.


Рис. 1.1 Класифікація силових напівпровідникових приладів

Далі більш детально розглянемо основні силові напівпровідникові прилади зазначені на рис.1.1.

Діоди


Напівпровідниковий діод – прилад, що має два зовнішніх виводи, та містить один p-n перехід. Зовнішні виводи називають анод (А) та катод (К) - рис.1.2, а, б. Існують різні типи діодів, графічні зображення деяких з них наведено на рис.1.2, в.



Рис. 1.2 Напівпровідниковий діод

а) графічне позначення; б) структура; в) графічні зображення деяких типів діодів

Фізично силовий діод являє собою p-n перехід, побудований на базі, наприклад, кремнієвої структури з різними типами провідності.  Струм, що протікає в напрямку анод – катод, називається  прямий струм, а в напрямку катод – анод  зворотній струм.

         На рис.1.3 зображено статичну (а) та динамічну (б)  вольт-амперну характеристики (ВАХ) напівпровідникового діода.



Рис. 1.3 ВАХ напівпровідникового діода:

а) статична характеристика; б) динамічна характеристика

На динамічній характеристиці (рис.1.3, б) можна виділити такі інтервали:

1 – діод вимкнений  ;

2 – до діода прикладена пряма напруга, він відкривається;

3 – діод  відкритий;

4 – до діода прикладена зворотна напруга, він закривається  протягом часу  ;

5 – діод закритий, до нього прикладена зворотна напруга.

Основні параметри діодів, та їх позначення.

Постійна пряма напруга  постійна напруга на діоді при заданому прямому струмі.

Постійна зворотна напруга  постійна напруга прикладена до діода у зворотному напрямку.

Постійний прямий струм  постійний струм, що протікає через діод у прямому напрямку.

Постійний зворотний струм  постійний струм, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій зворотній напрузі.

Середній прямий струм   прямий струм, усереднений за період.

Середній зворотний струм  зворотний струм, усереднений за період.

Диференціальний опір діода   відношення збільшення напруги на діоді до  збільшення його струму. 

Максимально допустимі параметри: До них відносяться всі перераховані вище, але з максимально допустимими рівнями напруг та струмів, перевищення яких призводить до виходу приладу з ладу. Необхідно відзначити, що по максимально допустимих параметрах вибираються діоди для роботи в пристроях і визначаються максимальним допустимим значенням параметра, з індексом “max”.

Імпульсний діод — різновид напівпровідникових діодів, призначених для роботи в швидкодіючих імпульсних схемах. Імпульсний діод має малу бар’єрну ємність та малий  час відновлення зворотного опору.  Бар’єрна ємність –  ємність p-n переходу напівпровідникової структури.

Для імпульсних діодів використовують наступні параметри:

Імпульсна пряма напруга  пікова пряма напруга на діоді при заданому імпульсі прямого струму.

Імпульсна зворотна напруга  пікова зворотна напруга на діоді, включаючи як однократні викиди, так і періодично повторювані.

Загальна ємність  ємність, обмірювана між виводами діода при заданих напрузі й частоті.

Час встановлення прямої напруги  інтервал часу з моменту подачі імпульсу прямого струму на діод (при нульовій напрузі зсуву) до досягнення заданої прямої напруги на діоді.

Час відновлення зворотного опору   інтервал часу з моменту проходження струму через нуль після перемикання діода зі стану заданого струму в стан заданої напруги до моменту досягнення заданого зворотного струму.

Заряд перемикання  частина накопиченого заряду, що переходить до зовнішнього ланцюга при зміні напрямку струму із прямого на зворотне.

Стабілітрон— напівпровідниковий діод, на виводах якого напруга залишається майже постійною, при зміні в деяких межах величини електричного струму, що  протікає в ньому.

Для стабілітронів характерними є такі параметри:

Напруга стабілізації   напруга на стабілітроні при заданому струмі стабілізації.

 Допустиме відхилення напруги стабілізації від номінального   максимально допустиме відхилення напруги стабілізації від номінального для стабілітронів даного типу.

Диференціальний опір стабілітрона  відношення збільшення напруги стабілізації до  збільшення струму, що його викликало.

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації  відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури навколишнього середовища при постійному струмі стабілізації.

Повна ємність стабілітрона  ємність між виводами стабілітрона при заданій напрузі.

Варикап — напівпровідниковий діод, робота якого базується на залежності бар’єрної ємності переходу від зворотної напруги. Варикапи використовуються в якості елементів з електрично керованою ємністю в схемах перестройки частоти коливального контуру.

Для варикапів характерними є такі параметри:

 Ємність варикапа    ємність, що виміряється між виводами при заданій зворотній напрузі.

Коефіцієнт перекриття по ємності    відношення ємностей варикапа при двох заданих зворотних напругах.

Добротність варикапа   відношення реактивного опору на даній частоті змінного сигналу до опору втрат при заданій ємності або зворотній напрузі.

Постійний зворотний струм варикапа   постійний струм, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій зворотній напрузі.

Випрямляючі діоди

Застосовуються для перетворення змінного струму в пульсуючий і є основним компонентом блоків живлення. Конструкція силового діода зображена на рис.1.4.



Рис. 1.4 Напівпровідниковий силовий діод

а) позначення; б) структура

Фізично силовий діод являє собою p-n перехід, побудований на базі кремнієвої структури з різними типами провідності. Для забезпечення протікання значних струмів площа p-n переходу має бути значно більшою ніж у інших типів діодів.

Для забезпечення високих значень пробивної напруги  конструкція силових діодів має певні особливості.  Поміж високолегованими областями  p та n знаходиться   слаболегована область. При зворотній напрузі в зоні   виникає широка область збіднена носіями заряду, за рахунок цього зменшується напруженість в області   p-n  переходу.

         При прямій напрузі за рахунок інжекції область   заповнюється рухомими носіями заряду, тому на опір діода в прямому включенні вона практично не впливає.

Високочастотні діоди

Для побудови високочастотних діодів використовуються p-i-n структури. Завдяки своїй відносній простоті ці структури починаючи з 50-х років знайшли застосування в конструкціях багатьох різновидів напівпровідникових діодів, починаючи від високовольтних випрямних до фотодіодів і гетеролазеров.

Найбільше застосування p-i-n діоди знайшли у приладах ВЧ- і СВЧ-діапазонів для керування рівнем і (або) фазою СВЧ-сигналів, комутації ВЧ- і СВЧ-потужності в лініях передач, для захисту радіотехнічної апаратури від випадкових СВЧ-імпульсів, для стабілізації СВЧ-потужності, а також в атенюаторах  ВЧ-діапазона.

У вітчизняній практиці p-i-n-діоди СВЧ-діапазону одержали назву перемикальних і обмежувальних (залежно від роду використання), у ВЧ-діапазоні їх називають комутаційними й регульованими резистивними (для атенюаторів). У закордонній літературі в їхній назві збережений конструктивно-технологічний маркер «PIN-Diodes».

Останнім часом через різке розширення виробництва засобів зв'язку, і переговорних пристроїв, зокрема спеціального призначення, спостерігається постійне збільшення попиту на p-i-n-діоди, що заходять все більше застосування як в апаратурі спеціального призначення, так і  у комерційній електроніці.

Структура типового p-i-n-діода зображена на рис.1.5.



Рис. 1.5 Структура p-i-n-діода

Така структура характеризується тим, що між двома сильно легованими областями дуже низького опору   і    перебуває активна базова  i-область із високим питомим опором (типово  , іноді до  ) і відносно великим часом життя електронів і дірок  ( 0,1-1,0 мкс). Товщина бази лежить у межах 3-30 мкм.

Таким чином, при роботі у  СВЧ і частково ВЧ діапазонах  p-i-n-діод (без урахування паразитних параметрів   і   ) являє собою лінійний резистор, опір якого при прямому зсуві   значно менше, ніж при зворотному   , при цьому   залежить від прямого струму.

Як приклад наведемо характеристики діода 2(К)507А

Корпус                                                      Б КД105

Пробивна напруга  , В                        500  - 300

Розсіювана потужність  Р,  Вт                        5 

Загальна ємність  , пф                          0,8 - 1,2

Накопичений заряд  / , Нк/мА        200/100

Прямий опір  /  Ом/мА                      1,5/100





Тиристори


Тиристор- це перемикаючий напівпровідниковий прилад, що пропускає струм в одному напрямку. Його називають напівпровідниковим керованим вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор має три виводи, один із яких - керуючий електрод - використовується для управління станом тиристора. При подачі імпульсів управління  на відкривання тиристора він різко переходить у включений стан.

Основні властивості тиристора:

1.        Тиристор, як і діод, проводить в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;

2.        Тиристор переводиться з виключеного стану у включене при подачі сигналу на керуючий електрод і, отже, як вимикач має два стійких стани. Проте для повернення тиристора у виключений (розімкнутий) стан необхідно виконати спеціальні умови;

3.        Керуючий струм, необхідний для переведення тиристора із закритого стану у відкрите, значно менше робочого;

4.        Середній струм через навантаження, яке включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості включеного стану тиристора.

Структура тиристора

Тиристор - керований трьохелектродний напівпровідниковий прилад, що складається із чотирьох кремнієвих шарів р та n типу, що чергуються.

 Графічне позначення, структура та статична характеристика тиристора наведені на рис.1.7, а-в.



Рис. 1.7 Тиристор: а) позначення тиристора;  б) структура тиристора;

в) статична ВАХ тиристора

Принцип вмикання за допомогою керуючого електрода.

При відсутності струму керуючого електроду його переключення відбувається при напрузі  . При наявності струму керування напруга переключення буде тим меншою, чим більший струм керування. При певній величині струму керування  , яку називають струмом спрямлення, тиристор включиться при будь якій прямій напрузі більше нуля (рис.1.7, в). Процес переключення тиристора протікає лавиноподібно з часом включення   мкс.

Після того як тиристор ввімкнено імпульс управління на керуючому електроді уже не потрібен і його можна зняти, при цьому тиристор залишиться у включеному стані.

Для вимикання тиристора необхідно зменшити його анодний струм до величини меншої за струм утримання  . При роботі тиристора в колах змінного струму його виключення відбувається природнім шляхом кожного разу коли змінюється полярність струму, що проходить через тиристор. При роботі тиристора в колах постійного струму для його виключення необхідно використовувати допоміжні пристрої – вузли примусової комутації.

До основних параметрів тиристорів відносять:

максимальне значення амплітуди робочої напруги тиристора в закритому стані;

максимальне середньоквадратичне значення струму через тиристор ;

максимальний ударний неповторюваний струм у відкритому стані;

захисний показник. Якщо в пристрої із застосуванням тиристора встановлений захисний прилад, наприклад, плавкий запобіжник, значення його   повинне бути менше, ніж у тиристора;

максимальна імпульсна потужність, що розсіється у керуючому електроді;

максимальний імпульсний струм керуючого електрода;

максимальна імпульсна напруга керуючого електрода;

максимальний спад напруги на тиристорі при проходженні короткого імпульсу струму;

постійний струм керуючого електрода, що вмикає;

Транзистори


Біполярний транзистор (БТ) – напівпровідниковий прилад, що складається із двох послідовних p-n-переходів, робота якого заснована на використанні двох типів носіїв заряду (електронів та дірок). В залежності від порядку чергування напівпровідникових шарів із різним типом провідності (р- та n - типу) біполярні транзистори поділяють на дві основні групи: 1) p-n-p - типу; 2) n-p-n - типу.

 На рис. 1.9, а-б зображено найпростішу структуру транзисторів відповідно як p-n-p-типу, так і n-p-n-типу. Основний принцип роботи від типу біполярного транзистора не залежить, але тип транзистора визначає тип основних носіїв, що забезпечують протікання струму, і полярність напруг, що підключаються.

 



Рис. 1.9 Структура біполярного транзистора:

а) – p-n-p-типу; б) – n-p-n-типу;

Середня напівпровідникова область в структурі наведеній на рис. 1.9, а-б, що має відмінний від двох інших областей тип провідності, називається базовою областю, а електрод, що приєднується до неї та виконує роль керуючого електрода – базою транзистора. Дві інші напівпровідникові області, що мають протилежний до бази тип провідності та утворюють разом із базою два p-n- переходи із областю просторового заряду (ОПЗ), називаються емітерною та колекторною областю. Відповідно електроди приєднані до кожної із цих областей називаються емітером та колектором. Головною відмінністю між ними є те, що емітер є більш легованим напівпровідником, колектор має більший за площею p-n-перехід, а ширина бази є значно меншою поперечних розмірів p-n-переходів.

На рис. 1.10, а-б  наведено умовні графічні позначення біполярних транзисторів.



Рис. 1.10 Умовні графічні позначення біполярних транзисторів:

а) – p-n-p - типу; б) – n-p-n - типу;

Кожен із двох p-n-переходів в біполярному транзисторі можна за допомогою зовнішньої напруги зміщувати як у прямому, так і у зворотному напрямі, в залежності від чого розрізняють такі режими роботи біполярного транзистора:

1.        Режим відсічки – обидва p-n-переходи зворотно зміщенні, тобто закриті;

2.        Активний режим – емітерний p-n-перехід зміщений у прямому напрямі, а колекторний p-n-перехід зворотно зміщений;

3.        Інверсний режим – подібний до активного режиму (колекторний p-n-перехід зміщений у прямому напрямі, а емітерний - зворотно зміщений);

4.        Режим насичення – обидва p-n-переходи зміщенні у прямому напрямі.

В режимі 1 роботи біполярного транзистора база та обидва переходи збіднені на основні рухливі носії заряду (напруги  ,   мають протилежну полярність ніж на рис. 1.9), внаслідок чого струм через обидва p-n-переходи майже відсутній, а сам транзистор має дуже високий опір, що може вважатися як розрив в ланцюгу.

В режимі 2 роботи біполярного транзистора емітерний p-n-перехід зміщений у прямому напрямі, а колекторний – у зворотному. Прикладена до емітерного переходу напруга (полярності  ,   співпадають із зображеними на рис. 1.9) зменшує його потенціал, і тоді із емітера в базу інжектуються електрони (основні носії заряду в даному транзисторі), невелика частина з яких або дифундує назад до емітерної області, або рекомбінує із дирками (основними носіями в базі). Більша ж частина електронів минає невелику область бази і надходить до зворотно зміщеного колекторного переходу, що екстрагує дані носії в колекторну область. Таким чином створюється колекторний струм  , який практично рівний емітерному струму  , за умовою невеликих втрат на рекомбінацію в базі транзистора ( ,  ). Тобто біполярний транзистор є струмовим приладом, так як змінюючи невеликий струм бази   можна змінювати значний струм колектора  . Коефіцієнт передачі по струму  α  пов’язує колекторний та емітерний струми і дорівнює   .

Режим 3 роботи біполярного транзистора подібний за механізмом до режиму 2, з умовою переміни функцій емітерного та колекторного p-n-переходів. Проте внаслідок гіршого підсилення, ніж в режимі 2, даний режим роботи біполярного транзистора майже не використовується.

В режимі 4 роботи біполярного транзистора обидва p-n-переходи знаходяться у відкритому стані, внаслідок чого електрони в базу, окрім емітерної області, також інжектує колекторна область. Через це база та обидва p-n-переходи перенасичуються основними носіями (електронами) і опір всієї структури стає мінімальним. Тому коло, що містить біполярний транзистор в даному режимі, можна вважати короткозамкненим.

Польовий транзистор (ПТ) – напівпровідниковий прилад робота якого заснована на модуляції опору напівпровідникового матеріалу поперечним електричним полем. В них використовується ефект зміни величини області просторового заряду (ОПЗ).

 Польові транзистори діляться на два основні класи:

1.        З керуючим p-n-переходом (ПТКП, англ. JFET);

2.        Із структурою метал-діелектрик-напівпровдник (МДН, англ. MOSFET), у якій затвор ізольований від робочого напівпровідника діелектриком.

Так як в якості діелектрика найчастіше використовують оксид кремнію, то МДН-транзистори також ще називають МОН-транзисторами.

На рис.1.14 зображено структуру транзисторів з керуючим p-n-переходом. Характерною особливістю таких польових транзисторів є те, що їх затвор  ізольований від каналу, що проводить струм, зворотнозміщеним p-n-переходом.



Рис. 1.14 Структура n-канального польового транзистора з керуючим p-n-переходом:

а) з одним керуючим електродом; б) з двома керуючими електродами.

Даний транзистор має один (рис. 1.14, а) або два (рис. 1.14, б) електроно-дірочних переходи, що зміщенні у зворотному напрямі. При зміні зворотної напруги на p-n-переході варіюється величина ОПЗ на межі p- та n-областей, а отже змінюється і опір каналу, по якому проходить керований  потік основних зарядів. Електрод, з якого в канал надходять основні носії заряду, називається витоком, а електрод в який із каналу витікають основні носії – стоком.  Електрод, що слугує для керування величиною каналу, називається затвором.

Польові транзистори, на відміну від біполярних, є уніполярними приладами. Канал провідності в польових транзисторах може бути як  n-, так і p-типу, що визначається типом основних носіїв заряду. Тому в залежності від типу каналу польові транзистори поділяють на транзистори з n- (рис.1.15, а) та p-провідністю (рис.1.15, б). Відповідно до типу провідності польового транзистора полярності напруги на затворі, стоку та витоку і напрямки струмів будуть протилежними.



Рис. 1.15 Умовне позначення польового транзистора з керуючим p-n-переходом:

а)  n-типу; б)  p-типу.

Література

1. Електроніка та мікросхемотехніка [Електронний ресурс]: навчальний посібник для студентів напряму підготовки 6.050702 «Електромеханіка» / А. А. Щерба, К. К. Побєдаш, В. А. Святненко ; – Київ : НТУУ «КПІ».

2. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник для студентів вищ. закл. освіти, що навчаються за напрямками "Електромеханіка" та "Електротехніка": У 4-х т. / Сенько В.І., Панасенко М.В., Сенько Є.В., Юрченко М.М., Сенько Л.І., Ясінський В.В. -К.: ТОВ "Видавницгво"Обереги", 2000. Т.1. Елементна база електронних пристроїв.

3. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник для студентів вищ. закл. освіти, що навчаються за напрямками "Електромеханіка" та "Електротехніка": У 4-х т. / Сенько В.І., Панасенко М.В., Сенько Є.В., Юрченко М.М., Сенько Л.І., Ясінський В.В. - Харків: Фоліо, 2002. Т.2. Аналогові та імпульсні пристрої.

4. Руденко B.C. та ін. Промислова електроніка: Підручник /B.C. Руденко В.Я. Ромашко, В.В.Трифонюк.- Київ, Либідь, 1993.

5. Скаржепа В.А., Новацкий А.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника: Лабораторный практикум. Под ред. А.А Краснопрошиной. - К., Вища школа.

6. Перетворювальна техніка. Підручник. Ч.1,2/ Ю.П.Гончаров, О.А.Будьонний, 4. В.Г.Морозов, М.В. Панасенко, В.Я. Ромашко, В.С. Руденко. За ред. В.С.Руденко. – Харків: Фоліо. 2000.

7. Радіотехніка: Енциклопедичний навчальний довідник: Навч. посібник / За ред. Ю.Л.Мазора, Є.А.Мачуського, В.І.Правди. – К.: Вища шк., 1999.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас