1.3 Коммутационные устройства

Основное назначение коммутационных аппаратов и устройств – это включение, отключение, переключение электрических цепей.

К коммутационным устройствам относятся различные переключатели, кнопки управления, рубильники, автоматические выключатели, микровыключатели, бесконтактные выключатели и др.

В механическом коммутационном аппарате переключение контактов происходит при нажатии на толкатель. Различают коммутационные устройства:

- без фиксации – при снятии усилий толкатель возвращается в исходное положение и происходит обратное переключение контактов;

- с фиксацией - при снятии усилий остаётся в нажатом положении, а при повторном нажатии возвращается в начальное положение;

- с электромагнитной фиксацией – толкатель фиксируется электромагнитом.

В последнее время получили распространение бесконтактные (твёрдотелые) выключатели. В основе бесконтактных переключателей лежат полупроводниковые приборы, имеющие только два состояния – проводящее и непроводящее.

На рис. 5 представлены примеры обозначения контактов.

Рисунок 5 - Условное графическое обозначение контактов

Раздел 2 Полупроводниковые приборы

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы. Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

2.1 Основные свойства полупроводников. Беспереходные полупроводниковые приборы

Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению (ρ=10^-6 ÷ 10¹⁰ Ом·м) занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.

Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки.

В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.

Модель решетки чистого полупроводника

Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение. Полупроводникам свойственна ковалентная связь – каждый атом валентностью 4+ связан с четырьмя соседними электронной парой.

В полупроводнике одновременно идут два противоположных процесса: термогенерация (образование двух видов свободных носителей заряда – электронов n и дырок p) и рекомбинация (пара носителей исчезает). При этом концентрация электронов равна концентрации дырок (собственная проводимость).

Модели решеток примесных полупроводников

При введении в полупроводник примесей - донорных (элементы 5-й группы: фосфор, мышьяк, сурьма) или акцепторных (элементы 3-й группы: бор, индий, алюминий) резко увеличивается количество свободных носителей зарядов – электронов и дырок.

Р-n – переход

Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода (p-n – перехода).

p-n – переход – это область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

При соприкосновении полупроводников с различным типом электропроводности в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок, в результате чего образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоки электрическим сопротивлением. Этот слой называется запирающим.

К роме того, по обе стороны границы соприкосновения создается объемный заряд: в p-области образованный отрицательно заряженными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительно заряженными ионами донорной примеси (рис. 6). Это приводит к возникновению контактной разности потенциалов (десятые доли – единицы вольт) и соответственно электрического поля Е_зап.

Рисунок 6 – Плоская модель p-n-перехода

Если к p-n – переходу приложить внешнее напряжение, «+» к n-области, а «-» к p-области, ширина запирающего слоя увеличится, так как основные носители (дырки и электроны) отойдут от перехода. При этом сопротивление перехода еще больше увеличивается и через него будет протекать очень малый ток, называемый обратным. Т.о. при такой полярности внешнего напряжения переход закрыт.

При противоположной полярности внешнего напряжения толщина запирающего слоя уменьшается, сопротивление p-n-перехода также уменьшается. Возникает сравнительно большой ток, называемый прямым, а переход - открытым.

а) б)

Рисунок 7 – p-n-перехода во внешнем электрическом поле:

а) обратном, б) прямом

Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой перехода I=f(U) (рис.8).

Часть характеристики I_пр=f(U_пр) называется прямой ветвью, так как она соответствует прямому включению перехода. На участке 1 запирающая ЭДС перехода больше внешней ЭДС внешнего источника Е_зап>Е_вн, и ток через переход мал. На участке 2 запирающая ЭДС меньше внешней - Е_зап<Е_вн, переход открывается и протекает достаточно большой ток.

Обратная ветвь характеристики I_обр=f(U_обр) соответствует закрытому состоянию перехода. Участок 3 - запирающий слой препятствует движению свободных носителей и ток мал, 4 - пробой p-n-перехода, ток резко возрастает.

Рисунок 8 – Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Беспереходные полупроводниковые приборы

Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы:

Л инейный резистор - удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Используется в интегральных микросхемах.

Варистор - сопротивление зависит от приложенного напряжения, имеет линейную ВАХ.

Т ерморезистор - сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).

Ф оторезистор - сопротивление зависит от освещенности (излучения).

Тензорезистор - сопротивление зависит от механических деформаций.

Переход металл – полупроводник

В полупроводниковых приборах помимо контактов с элект­ронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела. Рассмот­рим процессы в различных металлополупроводниковых переходах (рис. 9).

Е сли в контакте металла с полу­проводником n-типа (рис. 9,а) работа выхода электронов из металла A_м мень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника А_п, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Рисунок 9 – Контакт металла (М) с полупровод­ником

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 9,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (А_П < A_M). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в приграничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивле­ние. Оба типа невыпрямляющих контак­тов широко используются в полупровод­никовых приборах при устройстве вы­водов от n- и р-областей. Для этой цели подбираются соответствующие ме­таллы.

Иные свойства имеет переход, пока­занный на рис. 9, в. Если в контакте металла с полупроводником n-типа А_п < А_М, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависи­мости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами.