Лекция 1Электронно-дырочный р-n переход Граница двух областей первый из которых обладает электропроводимостью n - типа, а другая р - типа, называется р-n переход.
Uвн =Uобр
Uвн = 0
Uвн ≠ Uпрям
Электроны и дырки проводимости могут проходить через границу двух областей, электроны попадают в Р – область и рекомбинируют с дырками и аналогичным образом диффундируют из Р – области в N – область, и рекамбинируют там с электронами: (ток диффузии через N переход). Таким образом в Р – N переходе появится ток диффузии.Iдиф = Iрд+Inд
Где Iрд - ток диффузии дырок, а Inд – ток диффузии электронов.
Если бы дырки и электроны были бы нейтральными, то это привело бы к их полному выравниванию концентрации по всему V кристалла. Электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда между Р – N областями и устанавливается понэнциальный барьер. Ток, создаваемый не основными носителями заряда называется тепловым током состоит из Iоn и Iор составляющей.
Io = Ion + Iop
По своему направлению тепловой ток противоположен диффузионному току.
Ip-n = Iдиф – Io
Разность потенциалов затрудняет диффузию основных носителей. Ig становится равным по абсолютной величине тепловому току.
Ip-n = Iдиф – Io = 0
Такое состояние полупроводника называется равновесным, наступает термодинамическое равновесие.
Лекция 2 Обратное включение Р – N перехода
Uпотенциальный барьер = Uкн + Uобр
В этом случае поля складываются, потенциальный барьер между Р и N областями возрастает и становится равным (Uкн+Uобр)
Под воздействием электрического поля, создаваемым источником напряжения Uобр, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоёв. Ширина запирающегося слоя будет увеличиваться. Зависимость тока от обратного напряжения к P-N имеет вид:
Ip-n=Io[exp[-eUобр/КТ]-1]
Io – тепловой ток, не основной носитель
К – постоянная Больцмана
Т – температура (273,15)
е – заряд электрона
При дальнейшем увеличении Uобр происходит электрический пробой P-N перехода. Электрический пробой не является разрушающим, и свойства его восстанавливаются. За электрическим пробоем следует тепловой пробой, который возникает под действием сильного электрического поля. P-N переход преобразует энергию достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. С увеличением Uобр растет тепловая мощность, переход разрушается.
Лекция 3 Прямое включение P-N перехода
Вольт- амперная характеристика
В этом случае потенциальный барьер уменьшается и во внешней цепи возникает диффузия. Uвнешняя вызывает встречное движение дырок и электронов.
Концентрация приконтактной области возрастает, что приводит к уменьшению запирающего слоя.
Iдиф = Iдиф exp [eUпр/КТ]
Полный ток через P-N переход = разности диффузионного тока и теплового.
Ip-n = Iдиф – Io
Вывод;
При обратном смещении на P-N переходе , экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход = тепловому току.
При прямом смещении Р-N перехода экспоненциальный член быстро возрастает и ток через P-N переход будет = диффузионному току.
Лекция 4 Полупроводниковые диоды.
Основные характеристики и параметры.
Лекция 5
Полупроводниковые диоды, их вольтамперные характеристики и параметры.
Ge (Д 9 U 15v)
Ge (Д 7 А Б В Г U 400v)
Si (КД 103 А)
Примерное значение обратного тока:
Iобр = Iобр+20ºC·А t - 20ºC\10ºC
A1 = 2 → (Ge)
A2 = 2.5 → (Si)
Динамические и частотные параметры
▲f диапазон частот диода 2π/Т, разность значений частот при которых средний выпрямительный ток диода не менее заданной доли его значения частоты.
Rдиф = ▲Uпр/▲Iпр·10ˉ³ (Ом)
Дифференциальное сопротивление
Можно определить дифференциальное сопротивление по имперической форме:
R ≈ e·6/Iпр (Ом)
Важным параметром диода является емкость
Су = Сдиф + Сзар
Обратное, максимально допустимое U:
Uост max ≈ 0.8 Uпробоя
0,8 – коофицент запаса. Выбирается в соответствии с требоваемой надежностью для различных классов аппаратуры.
Максимально допустимая мощность диода:
Рmax = Tnmax – to/RTnk + PTko
Tn – максимально допустимая температура P-N перехода (в справочнике)
То – окружающая среда
RTnk – тепловое сопротивление между P-N переходом и корпусом
RTko - тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой
Максимально допустимый ток Iпр:
Iпрmax = Pmax/Uпр
Выпрямительные диоды – полупроводниковый диод предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.
Плоскостные диоды с относительно большой ? P-N перехода.
Падение напряжения на диоде при протекании Iпр должно быть минимальным.
Выпрямительные свойства диодов оцениваются с помощью коофициента выпрямления.
Uпр = Uобр = 1вольт
К = Iпр/Iобр = Rобр/Rпр
Наиболее перспективные кремневые. Которые допускают большой перегрев и имеют низкое значение обратного тока.
Импульсные диоды – полупроводниковый диод с малой длительностью переходных процессов. Предназначены для применения в импульсных режимах работы.
Uпр имп мах Iпр имп мах
Лекция 6 Стабилитрон
Стабилитрон – полупроводниковый прибор, напряжение на котором в области электрического пробоя, при обратном смещении, слабо зависит от обратного тока в заданном им диапазоне, и который используется для стабилизации напряжения на нагрузке.
Схема включения стабилитрона, и его вольтамперная характеристика:
Для стабилизации малого напряжения (от 1 до 1,5В), используются кремневые стабилизаторы, включенные в прямом направлении.
Uст – напряжение стабилизации при протекании заданного тока стабилизации.
Iстаб max ≈ 10max/Uст
Iстаб min – определяет устойчивость пробоя стабилизации.
Rдиф – сопротивление стабилитрона. Отношение приращения напряжения стабилизации.
Rдиф = dUст/dIст ≈ ▲Uст/▲Iст (Ом)
Чем меньше Rст, тем лучше осуществляется стабилизация напряжения. Rст = Uст/Iст (Ом) α=▲Uст/Uст · ▲Т – температурный коофицента напряжения стабилизации. Изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1ºС при постоянном токе стабилизации.
Лекция 7 Варикап
Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного U и который предназначен в качестве элемента с управляемой емкостью.
Используемое свойство изменяет величину зарядной емкости P – N перехода в зависимости от прилежащего обратного U.
С3 = f (Uобр)
С ростом обратного напряжения емкость варикапа уменьшается, так как расширяется область пространственного заряда. Заряда P – N перехода, т.е. увеличивается его толщина.
Обращенные диоды.
Полупроводниковый диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси в котором проводимость при обратном напряжении, вследствие туннельного эффекта, значительно больше чем при прямом напряжении.
Туннельные диоды.
Полупроводниковый диод в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике, при включении в прямом направлении, участка отрицательной дифференциальной проводимости.
Рабочим участком ВАХ туннельного диода является участок ВД, на котором диод обладает отрицательной дифференциальной проводимостью.
Iпр
Iв – ток впадины
Отношение Iпр/Iв
Uп – напряжение пика U прямое
Uв – напряжение впадины
Uр – прямое напряжение раствера
Фото и светодиоды.
Фотодиод
Полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, осуществляющий преобразование световой энергии в электрическую.
Iфд = f (Uфд)
При световом потоке Ф = 0 через диод протекает только тепловой ток Io, если Ф > 0 фототок диода возрастает пропорционально световому потоку.
Светодиод
Преобразует энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение – электролюминесценция.
Основные характеристики:
P = f2·Iпр
Iпр = f1·Uпр
В = f3·Iпр
Лекция 8 Биполярные транзисторы
Представляет собой транзистор – полупроводниковый прибор с 2-мя взаимодействующими переходами, усилительные свойства которого определяются 2-мя физическими явлениями:
Инжекция
Экстракция (не основные носители заряда)
Инжекция – процесс введения носителей заряда через электронно- дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводникового, где эти носители являются не основными.
Экстракция – вытягивание носителей из базы.
База – прямая проводимость, обратная.
В зависимости от характера проводимости внешних слоев, транзисторы делятся на 2 типа: прямой проводимости и обратной.
Внутренняя область монокристалла, разделяющая P – N переходы называется базой. Внутренний слой, предназначенный для инжектирования носителей в базу называется эммитором. (p – n – эммиторный)
Коллектор - внутренний слой экстрактирования носителей из базы. (p – n - коллекторный)
База – электрод управляющий. Управляет током через транзистор меняя направление между базой и эммитором. Может управлять плотностью тока экстракции.
Транзисторы классифицируются на:
Германиевые
Кремневые
Лекция 9 Рассмотрим процессы протекающие в биполярном транзисторе P – N – P
Uэб = Uкб = 0
Потенциальный барьер
Токи через переходы = 0
При наличии напряжения Uэб,Uкб (за счет источника Еэ и Ек) происходит перераспределение электрических потенциалов переходов. Создаются условия для инжектирования дырок (инжектирование из эммитора в базу, и перемещение электронов из базы в эммитор). При встречном перемещении дырок и электронов происходит их частичная рекомбинация и избыток дырок внедряется в слой базы. Образуется ток эммитора (Iэ).
В результате инжекции дырок в базу, где они являются не основными носителями, возникает перепад концентрации дырок. Что приведет их к диффузионному перемещению во всех направлениях, в том числе и к коллекторному переходу.
Перемещение не основных носителей через базу, концентрация их уменьшается, в результате рекомбинации с электронами. Поступающие в базу Еэ. Поток этих электронов образует Iб.
Толщина базы составляет 1 микрон, а коллектор больших размеров, то большая часть дырок достигает коллекторного P – N перехода, и захватывается его полем, при этом рекомбинируясь с электронами, поступающими от источника Ек. Вследствие этого протекает и Iк, замыкающий общую цепь тока.
Перенос тока из эммиторной цепи в коллекторную определяет коофицент передачи по току, и определяется: α= dIк/dIэ Uкб = const
α= 0,95 ~ 0,98
Связь между токами транзистора определяется соотношением:
Iк = αIэ
Iб = Iэ – Iк = (1 – α) ·Iэ
Особенности транзисторной схемы:
Что он усиливает мощность, напряжение смещения эммиторного перехода Uбэ = (0,2в ~ 0,5в)
Uкб = (10в ~ 100в)
Iэ ≈ Iк
Можно сделать вывод:
Рвых = IкUкб > Pвх = IэUбэ
Схемы включения биполярных транзисторов.
Схема включения определяется в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи.
Различают 3 схемы включения транзистора:
ОБ (общая база)
ОЭ (общий эммитор)
ОК (общий коллектор)
Лекция 10Статические характеристики транзисторов
Входные статические характеристики с ОБ представляют собой зависимость
Iэ = f (Uбэ) Uкб = const Uкб = 0
Характеристика полупроводникового диода включенного в прямом направлении.
При увеличении коллекторного U происходит расширение коллекторного перехода и, соответственно, реальная ширина базы уменьшается, что и объясняет смещение влево входной статической характеристики с общей базой.
Входная статическая характеристика ОБ
Iк = f (Uкб) Iэ = const
При появлении Iэ, Iк увеличивается на величину Iкр ≈ αIэ ≈ Iэ
Iкр можно рассматривать как искусственно созданный дополнительный ток не основных носителей коллекторного перехода.Входные характеристики с ОЭ.
Iб = f (Uбэ)/Uкэ = const
Iк = f (Uбэ)/Uкэ = const
Характерные параметры транзистора можно найти, если представить транзистор виде активного линейного четырехполюсника. Наиболее широко используются гибридные h параметры. Выражения напряжений и токов через конечные приращения.
h11э = ▲Uбэ/▲Iб Uкэ = const (Ом)
h11э – входное сопротивление
h12э – коэфицент обратной связи
h12э = ▲Uбэ/Uкэ Iб = const (Ом)
Показывает, какая частота напряжения подается с выхода транзистора на его вход при разомкнутой входной цепи.
h12э = ▲Uбэ/▲Uкэ Iб = const
h21э = ▲Iк/▲Iб Uкэ = const
h22э = ▲Iк/▲Uкэ Iб = const
