Ім'я файлу: 5fan_ru_Напівпровідникові прилади.docx
Розширення: docx
Розмір: 31кб.
Дата: 30.09.2021
скачати
Розширення: docx
Розмір: 31кб.
Дата: 30.09.2021
скачати
Міністерство освіти та науки, молоді та спорту України
Дніпродзержинський енергетичний технікум
Реферат
На тему: «Напівпровідникові прилади»
Підготував:
Студент групи МЕ-12-1/9
Васильєв О.С.
Перевірила:
Галішникова А.С.
Викладач
2013
Напівпровідникові прилади
Техніка напівпровідникових приладів стала самостійною областю
електроніки. Заміна електронних ламп напівпровідниковими приладами
успішно здійснена у багатьох радіотехнічних пристроях.
На всьому протязі розвитку радіотехніки широко застосовувалися
кристалічні детектори, що представляють собою напівпровідникові
випрямлячі для струмів високої частоти. Для випрямлення постійного
струму електричної мережі використовують купроксние і селенові
напівпровідникові випрямлячі. Однак вони непридатні для високих
частот.
Ще в 1922 р. співробітник Нижегородської радіо лабораторії О.В. Лосєв
отримав генерування електричних коливань за допомогою
кристалічного детектора і сконструював приймач "крістадін", в
якому за рахунок генерації власних коливань виходило посилення
прийнятих сигналів. Він мав значно більшу чутливість,
ніж звичайні приймачі з кристалічними детекторами. Відкриття
Лосєва, на жаль, не отримало належного розвитку в наступні
роки. Напівпровідникові тріоди, що одержали назви транзисторів,
запропонували в 1948 р. американські вчені Бардін, Браттейн і Шоклі.
У порівнянні з електронними лампами у напівпровідникових приладів
є істотні переваги:
1. Мала вага і малі розміри.
2. Відсутність витрати енергії на сяють.
3. Великий термін служби (до десятків тисяч годин).
4. Велика механічна міцність (стійкість до трясці, ударам і
іншим видам механічних перевантажень).
5. Різні пристрої (випрямлячі, підсилювачі, генератори) з
напівпровідниковими приладами мають високий ККД, оскільки втрати
енергії в самих приладах незначні.
6. Малопотужні пристрої з транзисторами можуть працювати при дуже
низьких живлять напругах.
Разом з тим напівпровідникові прилади в даний час володіють
наступними недоліками:
1. Параметри і характеристики окремих екземплярів приладів даного
типу мають значний розкид.
2. Властивості приладів сильно залежать від температури.
3. Робота напівпровідникових приладів різко погіршується під дією
радіоактивного випромінювання.
і т.д.
Транзистори можуть працювати майже у всіх пристроях, в яких
застосовуються вакуумні лампи. В даний час транзистори успішно
застосовуються в підсилювачах, приймачах, передавачах, генераторах,
вимірювальних приладах, імпульсних схемах і в багатьох інших
пристроях.
Види провідності
Напівпровідники являють собою речовини, які за своєю питомою
електричної провідності займають середнє місце між провідниками і
діелектриками. У сучасних напівпровідникових приладах широко
використовується такі напівпровідники, як германій, кремній, селен,
арсенід галію та ін
Для напівпровідників характерний негативний температурний коефіцієнт
електричного опору. При зростанні температури
опір напівпровідників зменшується, а не збільшується, як у
більшості твердих провідників. Крім того, електричне
опір напівпровідників сильно залежить від кількості домішок у
напівпровідників сильно залежить про таких зовнішніх впливів, як світло,
електричне поле, іонізуюче випромінювання та ін
Принципи роботи напівпровідникових діодів і транзисторів пов'язані з
тим, що в напівпровідниках існує електропровідність двох видів.
Так само, як і метали, напівпровідники мають електронної
електропровідністю, яка обумовлена переміщенням електронів
провідності. При звичайних робочих температурах в напівпровідниках
завжди є електрони провідності, які дуже слабо пов'язані з
ядрами атомів і здійснюють безладне тепловий рух між
атомами кристалічної решітки. Ці електрони під дією різниці
потенціалів можуть отримати додаткове рух в певному
напрямку, який і є електричним струмом. Напівпровідники
володіють також доречний електропровідністю, яка не спостерігається в
металах. Відсутність електрона в атомі напівпровідника, тобто наявність у
атомі позитивного заряду, назвали діркою. Цим підкреслюють, що в
атомі не вистачає одного електрона, тобто утворювалося вільне
місце. Дірки ведуть як елементарні позитивні заряди.
Електронно-дірковий перехід
Область на кордоні двох напівпровідників з різними типами
електропровідності називається електронно-дірковий або р-n переходом.
Електронно-дірковий перехід має властивість несиметричною
провідності, тобто являє собою нелінійне опір. Робота
майже всіх напівпровідникових приладів, застосовних в радіоелектроніці,
заснована на використанні властивостей одного або декількох pn переходів.
Нехай зовнішнє напруга відсутня (рис.1). Так як носії
заряду в кожному напівпровіднику здійснюють безладне тепловий
рух, тобто мають деякі теплові швидкості, то й відбувається їх
дифузія (проникнення) з одного напівпровідника в інший. Як і в
якому іншому випадку дифузії, на приклад спостерігається в газах і
рідинах, носії переміщаються відтіля, де їхня концентрація велика,
туди, де їх концентрація мала. Таким чином, з напівпровідника n-
типу в напівпровідник p-типу дифундують електрони, а в зворотному
напрямку з напівпровідника p-типу в напівпровідник n-типу
дифундують дірки. Це дифузійне переміщення носіїв показано на
малюнку 1 суцільними стрілками. В результаті дифузії носіїв по обидві
боки кордону розділу двох провідників з різним типом
електропровідності створюються об'ємні заряди різних знаків. В
області n виникає позитивний об'ємний заряд. Він утворений
позитивно зарядженими атомами донорно домішки та пройшли в цю
область дірками. Подібно до цього в області p виникає негативний
об'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомами
акцепторної домішки і прийшли сюди електронами. На рісунке1 для
спрощення носії і атоми домішок показані тільки в області
переходу.
Між утворилися об'ємними зарядами виникають так звана
контактна різниця потенціалів U = і
електричне поле. Напрям вектора напруженості цього поля Е
показано на рісунке1.Перемещеніе неосновних носіїв зарядів під
дія поля, зване дрейфом носіїв. Кожну секунду через
кордон в протилежні напрямки дифундує певне
кількість електронів і дірок, а під дією поля таке ж їх
кількість дрейфує у зворотному напрямку.
Переміщення носіїв за рахунок дифузії називають дифузним струмом, а
рух носіїв під дією поля являє собою струм
провідності. У сталому режимі, тобто при динамічному
рівновазі переходу, ці струми протилежні за напрямком. Тому
повний струм через перехід дорівнює нулю, що і повинно бути за відсутності
зовнішньої напруги.
Напівпровідниковий діод.
Електронно-дірковий перехід являє собою напівпровідниковий
діод.
Нелінійні властивості діода видно при розгляді його вольтамперной
характеристики. Приклад такої характеристики для діода невелике
потужності дано на рис.2. Вона показує що прямої струм у десятки
міліампер виходить при прямому напрузі порядку десятих часток
вольта. Тому пряме опір має величину не вище десятків
ом. Для більш потужних діодів прямий струм становить сотні
міліампер і більше при такому ж малому напрузі, а R відповідно
знижується до одиниць ом і менше.
Ділянка характеристики для зворотного струму, малого в порівнянні з
прямим струмом, зазвичай показують в іншому масштабі, що і зроблено на
малюнку вище. Зворотний струм при зворотному напрузі до сотень вольт у
діодів невеликої потужності складає лише одиниці або десятки
мікроампер. Це відповідає зворотному опору до сотень килоом
і більше.
Напівпровідникові діоди підрозділяються за багатьма ознаками. Перш
все слід розрізняти точкові, площинні і полікристалічні
діоди. У точкових діодів лінійні розміри, що визначають площу pn
переходу, такого ж порядку як товщина переходу, або менше її. У
площинних діодів ці розміри значно більше товщини переходу.
Точкові діоди мають малу ємність pn переходу і тому
застосовуються на будь-яких частотах аж до СВЧ. Але вони можуть пропускати
струми не більше одиниць або декількох десятків міліампер. Площинні
діоди залежно від площі переходу володіють ємністю в десятки
пікофарад і більше. Тому їх застосовують на частотах не більше десятків
кілогерц. Допустимий струм в площинних діодах буває від десятків
міліампер до сотень ампер і більше.
Основою точкових і площинних діодів є платівки
напівпровідника, вирізані з монокристалу, що має у всьому своєму
обсязі правильне кристалічну будову. В якості
напівпровідникових речовин для точкових і площинних діодів застосовують
найчастіше германій і кремній, а останнім часом також і арсенід
галію і карбід кремнію.
Полікристалічні діоди мають pn перехід, утворений
напівпровідниковими шарами, що складаються з великої кількості
кристалів малого розміру, різноорієнтованих один щодо
одного і тому не представляють собою єдиного монокристала. Ці
діоди бувають селенових, меднозакісние (купроксние) і титанові.
Принцип пристрою точкового діода показаний на малюнку 3 (а). У ньому
тонка загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою
приварюється за допомогою імпульсу струму до пластинки напівпровідника з
певним типом електоропроводності. При цьому з голки в основний
напівпровідник дифундують домішки які створюють в ньому область з
іншим типом провідності. Це процес наз. формовкой діода. Таким
чином, близько голки виходить міні pn перехід напівсферичної форми.
Отже, принципової різниці між точковими і площинними
діодами немає. Останнім часом з'явилися ще так звані мікро
площинні абомікросплавние діоди, які мають дещо більший по площині pn
перехід, ніж точкові діоди (б).
Площинні діоди виготовляються, головним чином, методами
сплавки дифузії. Для прикладу на малюнку 4.а) показаний принцип
пристрої сплавного германієвого діода. До платівки германію n-типу
вплавляют при температурі близько 500 градусів краплю індію, яка
сплавляючись з германієм, утворює шар германію p-типу.
Область з електропровідністю p-типу має більш високу концентрацію
домішки, нежлі основна пластинка порівняно високоомного германію,
і тому є емітером. До основної платівці германію та до Індію
припаюються вивідні зволікання, звичайно з нікелю. Якщо за вихідний
матеріал взято високоомний германій p-типу, то в нього вплавляют сурму
і тоді виходить емітерного область n-типу.
Слід зазначити, що сплавним методом отримують так звані
різкі чи ступінчасті pn переходи, в яких товщина області
зміни концентрації домішок значно менше товщини області
об'ємних зарядів, що існують у переході.
Типи діодів.
За призначенням напівпровідникові діоди підрозділяються на
випрямні діоди малої, середньої та великої потужності, імпульсні
діоди і напівпровідникові стабілітрони.
Випрямні діоди малої потужності. До них відносяться діоди,
поставляються промисловістю на прямий струм до 300мА. Довідковим
параметром випрямних діодів малої потужності є припустимий
випрямний струм (допустимої середнє значення прямого струму), який
визначає в заданому діапазоні температур допустиме середнє за
період значення довгостроково протікають через діод імпульсів прямого
струму синусоїдальної форми при паузах у 180 (напівперіод) і частоті 50
Гц. Максимальна зворотна напруга цих діодів лежить в діапазоні від
десятків до 1200В.
Випрямні діоди середньої потужності. До цього типу відносяться діоди,
допустиме середнє значення прямого струму яких лежить в межах
300мА-10мА. Великий прямий струм цих порівняно з малопотужними діодами
досягається збільшенням розмірів кристала, зокрема робочої
площі p-n переходу. Діоди середньої потужності випускаються
переважно кремнієвими. У зв'язку з цим зворотний струм цих діодів
при порівняно великій площині pn переходу досить
малий (кілька десятків мікроампер). Теплота, що виділяється в кристалі від
протікання прямого та зворотного струмів в діодах середньої потужності, вже не
може бути розсіяна корпусом приладу.
Потужні (силові) діоди. До даного типу відносяться діоди на струми від 10А
і вище. Промисловість випускає силові діоди на струми 10,16,25,40 і
т.д. і зворотні напруги до3500 В. Силові діоди мають градацію по
частоті охоплюють частотний діапазон до десятків кілогерц.
Потужні діоди виготовляють переважно з кремнію. Кремнієва
пластинка з pn переходом, створюваним дифузним методом, для таких
діодів є диск діаметром 10-100мм і товщиною 0,3-0,6
мм.
Транзистор.
Транзистор, або напівпровідниковий тріод, будучи керованим
елементом, знайшов широке застосування в схемах посилення, а також в
імпульсних схемах. Відсутність напруження, малі габарити і вартість,
висока надійність-такі переваги, завдяки яким транзистор
витіснив із більшості областей техніки електронний лампи.
Біполярний транзистор являє собою тришарову
напівпровідникову структуру з чергуються типом електропровідності
шарів і містить два pn переходу. Залежно від чергування шарів
існують транзистори типів pnp і npn (малюнок 5). Їх умовне
позначення на електронних схемах показано на тому ж малюнки. В
Як вихідний матеріал для отримання тришаровою структури
використовують германій і кремній.
Тришарова транзисторна структура створюється за Сплавний або
дифузійної технології, по якій виконується і двошарова
структура провідникових діодів. Тришарова транзисторна структура
типу pnp, виконана за Сплавний технології Пластина
напівпровідника n-типу є підставою, базою конструкції. Два
зовнішніх p-шару створюються в результаті дифузії в них акцепторної
домішки при сплавці з відповідним матеріалом. Один з шарів
називається емітерного, а інший-колекторним. Так само називаються і p-n-
переходи створювані цими шарами із шаром бази, а також зовнішні
висновки від цих шарів.
Функція емітерного переходу - інжектування (емітування)
носіїв заряду в базу, функція колекторного переходу - збір
носіїв заряду, що пройшли через базовий шар. Щоб носії заряду,
інжектіруемих емітером і проходить через базу, повніше збиралися
колектором, площа колекторного переходу.
У транзисторах типу npn функції всіх трьох шарів і їх назви
аналогічні, змінюється лише тип носіїв заряду, що проходить через
базу: в приладах типу p-n-p -
це дірки, в приладах типу npn-це електрони
Напівпровідникова структура транзистора типів pnp і npn
Існують три способи включення транзистора: з загальною базою (ПРО), з
загальним емітером (ОЕ), і загальним колектором (ОК). Різниця в способах
включення залежить від того, який з висновків транзистора є загальним
для вхідний і вихідний ланцюгів. У схемі ПРО загальною точкою вхідний і
вихідний ланцюгів є база, у схемі ОЕ-емітер, у схемі ОК -
колектор.
У силу того, що статичні характеристики транзистора в схемах ОЕ
або ОК приблизно однакові, розглядаються характеристики тільки для
двох способів включення: ОБ або ОЕ.
Подання транзистора схемою заміщення (еквівалентної схемою)
необхідно для проведення розрахунків ланцюгів з транзисторами. Особливий
інтерес представляє схема заміщення у фізичних параметрах, в
яких всі її елементи пов'язані з внутрішніми (фізичними)
параметрами транзистора. Використання такої схеми заміщення створює
зручність і наочність при аналізі впливу параметрів приладу на
показники схем з транзисторами.
Нижче розглядаються схеми заміщення транзисторів ПРО і ОЕ для
змінних складових струмів і напруг стосовно до розрахунку
схем з транзисторами, які працюють в підсилювальному режимі, зокрема
підсилювальних каскадів. Такі схеми заміщення справедливі для лінійних
ділянок вхідних і вихідних характеристик транзистора, при яких
параметри транзистора можна вважати незмінними. У цьому випадку
використовують так звані диференційні параметри транзистора,
відносяться до невеликим приростам напруги і струму. Найбільш точно
структуру транзистора при цьому відображає Т-подібна схема заміщення.
Т-подібна схема заміщення транзистора ПРО показано на малюнку нижче
, За аналогією зі структурою транзистора вона являє собою
поєднання двох контурів: лівого, ставиться до вхідного ланцюга (емітер
-База), і правого, що відноситься до вихідний ланцюга (колектор-база).
Загальним для обох контурів є ланцюгом бази з опором r.