План лекций по ФОЭ

- Полупроводниковые приборы( полупроводниковые диоды,транзисторы,тиристоры)

-Выпрямители (однофазные,многофазные,управляемые,стабилизированные)

-Инвенторы(тока,напряжения)

-Усилители(напряжения, мощности)

-Операционные усилители(можно выполнять операции над сигналами)

-Логические элементы(выполняют логические операции над сигналами,имеющие 2 уровня напряжения: минимальный и максимальный)

-Устройства аналогических элементов (триггеры,счетчик импульсов,шифраторы,дешифраторы и др.)

-Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

-Микроконтроллеры(устройства для обработки цифровой информации) -Генераторы сигналов (генераторы синусоидальных колебаний,прямоугольных импульсов,пилообразного напряжения)

Лекция№2(1)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – электронный прибор с 2 выводами, обладающи односторонней проводимостью тока(пропускает ток только в 1 направлении)

Для пройзводства полупроводниковых приборов используют материалы 4 группы периодической системы Менделеева.

Полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид Чистые полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности между металлами и диэлектриками.

Удельное электрическое сопротивление: у металлов около 10^-8 Ом*см,у диэлектриков 10¹⁴Ом*см .

В чистом полупроводниковом материале n_i=p_i, число электронов равно числу дырок.

Для получения полупроводниковых диодов и с целью повышения электропроводности (уменьшения удельного электрического сопротивления) применяют примесные полупроводники. Если в чистый полупроводник внести элемент 5 группы ПС(фосфор,сурьма),донорную примесь,то у Ge и Si примесь внедрится в узлы крусталлической решетки, тогда >>

Если область р чистого проводника вносят акцепторную примесь элементов 3-й группы периодической системы элементов. За счет этого получают полупроводник р-типа. Если в чистом полупроводнике концентрация дырок равна концентрации электронов, то в полупроводнике р-типа >> . Если в область n вносят донорные примеси (элементы 4-й группы) полупроводник n-типа и >> .

Т.к. на внешней оболочке атома акцепторной примеси находится 3 валентных электрона,то 4 электрона получает от атома исходного материала, атом примеси становится неподвижным отрицательным ионом, а в том месте откуда ушел электрон образуется дырка (положительный заряд).

Можно считать,что акцепторная примесь является поставником дырок,а донорная примесь поставщиком электронов.

p-n переход возникает на границе металлургического контакта полупроводников с различным типом проводимости.

За счет разности концентраций носителей заряда осуществляется диффузионное движение основных носителей заряда, дырки из р-области двигаются в n-область, а электроны из n-области двигаются в р-область. Это диффузионное движение основных зарядов образует диффузионный ток, ток основных носителей заряда. За счет ухода дырок из р-области слева от границы раздела образовывается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси. За счет ухода электронов из n-области справа от границы раздела образуется нескомпенсированный положительный объемный заряд ионов донорной примеси. Так как объемные заряды слева и справа от границы раздела равны между собой, но >> , то весь объемный заряд в основном сосредоточен в n-области (высокоомной), т.е. >> . Разность потенциалов между n и p областями вызывает электрическое поле, под действием которого осуществляется дрейфовое движение неосновных носителей заряда. Это дрейфовое движение образует дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Разность потенциалов между n и p областями и возникающее электрическое поле препятствуют увеличению диффузного тока основных носителей и при каком-то конкретном значении и полный ток I=0.

Прямое включение p-n перехода.

тепловой ток насыщения, единицы, десятки мА

В при С

При прямой полярности приложенного к p-n переходу напряжения внешнее электрическое поле направлено на встречу внутреннему электрическому полю, оно его ослабляет, что приводит к увеличению диффузионного движения основных носителей диффузионного тока.

Обратное включение p-n перехода.

При обратной полярности приложенного к p-n переходу напряжения внешнее электрическое поле направлено согласно с внутренним электрическим полем, оно его усиливает. Это препятствует диффузионному движению основных носителей заряда ( ). Через p-n протекает дрейфовый ток не основных носителей. Т.к. концентрация не основных носителей на 3-4 порядка меньше, чем концентрация основных носителей заряда, то , за счет этого p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При чрезмерном увеличении приложенного к p-n переходу напряжения происходит лавинное умножение (концентрация

неосновных носителей заряда), что приводит к чрезмерному увеличению обратного тока при почти неизменном обратном напряжении. Если быстро отключить обратное напряжение, то не происходит разрушение p-n перехода. Если при лавинном пробое длительно приложено обратное напряжение и осуществляется недостаточный теплоотвод, то происходит тепловой (необратимый) пробой, происходит расплавление и разрушение p-n перехода. p-n переход является основной частью полупроводникового диода.

Классификация диодов.

Классификацию диодов производят по шести основным видам:

1. По типу использованного материала: кремний, арсенид галлия и т.д.

2. По площади p-n перехода: плоскостные и точечные.

3. По величине тока: 1) маломощные (до 10А)

2) средний уровень тока (до 100А)

3) мощные (более 100А)

IV) По напряжению: 1) низковольтные (до 100В)

2) средний уровень напряжения (до 1000В)

3) высоковольтные (более 1000В)

V) По частоте: 1) низкочастотные (до 400Гц)

2) среднечастотные (до 20кГц)

3) высокочастотные (более 20кГц)

VI) По назначению: 1) выпрямительные

2) параметрические (стабилитроны)

Спрямленная характеристика диодов.

Допускаемая температура у кремневых диодов 130°С, у германиевых - 60°С.

В схемах выпрямителей и инверторов более высокой частоты, чем 50 Гц применяют не выпрямительные, а частотные диоды D4 до 4000А, время обратного восстановления t = 0.3 мкс (до единиц микросекунд)

Упрощенная схема замещения диода

R_об

С

U

U_диода

С=С_диф+С_бар

3) Диоды лавинные

Стабилитроны.

Стабилитроны- это полупроводниковые диоды, напряжение обратного пробоя которых слабо зависит от величины протекающего через него обратного тока.

T_{коэф.стабилизации напряжения} = 0,05…0,0005 (%/℃)