1  Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.       В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешённые энергетические уровни, свободные от электронов в невозбуждённом состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.

Важными параметрами материала являются валентная зона и зона проводимости. От их взаимного расположения и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твёрдых тел.

Между разрешёнными зонами находятся запрещённые зоны, т. е. области значений энергий, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле.

Для полупроводников наибольшее значение имеет запрещённая зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости. Она характеризуется шириной запрещённой зоны Э, т. е. разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.

     На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.      Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».      Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

электропроводность собственных полупроводников

Полупроводник называют собственным, в случае, когда влияние примесей для него пренибрежимо мало. Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости (в отличие от проводников) и ведёт себя как диэлектрик. В свою очередь различают два типа собственных полупроводников:

невырожденный собственный полупроводник

вырожденный собственный полупроводник

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц соотношением:

σ=1ρ=q(Nnμn+Npμp)

ρ — удельное сопротивление,

μn — подвижность электронов,

μp — подвижность дырок,

Nn,p — концентрация носителей,

q — элементарный электрический заряд (1,602×10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула имеет вид:

σ=1ρ=qN(μn+μp)

2 электро́нно-ды́рочный перехо́д(n – p – переход), переход между двумя частями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая – дырочную (p) электрические проводимости (соответственно n – и p – области). Поскольку концентрация дырок в р – области значительно выше, чем в n – области, дырки изр – области стремятся перейти в n – область; точно так же электроны из n – области устремляются в р – область. В результате взаимной диффузии зарядов на границе между двумя частями полупроводника образуется двойной слой пространственного заряда – отрицательные заряды в р – области и положительные заряды в n- области. Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через переход.

Чтобы пройти через электронно-дырочный переход, основным носителям заряда (электронам в n – области и дыркам в р – области) приходится преодолевать контактное поле – потенциальный барьер. Если в р – области приложен положительный потенциал, то внешнее поле направлено против контактного, т. е. потенциальный барьер понижается и основные носители легче преодолевают барьер – через переход начинает протекать ток. И наоборот, положительный потенциал, приложенный к n – области, повышает потенциальный барьер – и переход для потока основных носителей заряда оказывается закрытым. Таким образом, ток через электронно-дырочный переход зависит от приложенного напряжения. На этом свойстве электронно-дырочного перехода основана работа полупроводниковых диодов (n – p – переход), транзисторов (n – p – n – переход), тиристоров (р – n – p – n – переход), фотодиодов и фототранзисторов, светодиодов и других полупроводниковых приборов.

В современных 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.

Рисунок 1 - Контакт металла с полупроводником n-типа

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 1) работа выхода электронов из металла AM меньше, чем работа выхода из полупроводника An, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители заряда (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. Подобный же невыпрямляющий диод получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 2), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла.

Рисунок - 2 Контакт металла с полупроводником p-типа

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 p-областей. Для этой цели подбирают соответствующие металлы.

Рисунок 3 - Контакт металла с полупроводником n-типа

Иными свойствами обладает переход, показанный на рис. 3. Если в контакте металла с полупроводником n-типа An<AM, 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 довольно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно меняться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немецкий ученый В. Шотки и теперь барьеры в таких переходах именуютсябарьерами Шотки, а диоды с этим барьером - диодами Шотки. В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей, характерные для p-n-переходов. Поэтому диоды Шотки обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасывание зарядов - процессы инерционные, т. е. требуют времени.

Аналогичными свойствами обладает контакт металла с полупроводником типа p при AM<An.

3 Полупроводниковый резистор — полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимостьэлектрического сопротивления полупроводника от температуры, освещенности, напряжения и других параметров. В полупроводниковых резисторах применяют полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей удаётся получить различные зависимости сопротивления от внешнего воздействия.

Классификация и условные обозначения полупроводниковых резисторов.
Тип резисторов	Условное обозначение
Линейные резисторы
Варисторы
Тензорезисторы
Терморезисторы
Фоторезисторы

Первые две группы полупроводниковых резисторов в соответствии с этой классификацией — линейные резисторы и варисторы — имеют электрические характеристики, слабо зависящие от внешних факторов: температуры окружающей среды, вибрации, влажности,освещённости и др. Для остальных групп полупроводниковых резисторов, наоборот, характерна сильная зависимость их электрических характеристик от внешних факторов. Так, характеристики терморезисторов существенно зависят от температуры, характеристики фоторезисторов — от освещённости, характеристики тензорезисторов — от механических напряжений.

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивлениекоторого изменяется в зависимости от его деформации Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов., Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерениясилы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия хорошо проиллюстрирован на картинке за одним небольшим замечанием — в реальности изменения сопротивления весьма малы и требуют прецизионных усилителей или АЦП. Он заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея)со стороны подложки.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).

4п олупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

[править]Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

Вольт-амперная характеристика

Постоянный обратный ток диода

Постоянное обратное напряжение диода

Постоянный прямой ток диода

Диапазон частот диода

Дифференциальное сопротивление

Ёмкость

Пробивное напряжение

Максимально допустимая мощность

Максимально допустимый постоянный прямой ток диода

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные

Настроечные

Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные

Высокочастотные

СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные

Точечные

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод

первый элемент буквенно-цифрового кода обозначает исходный материал (полупроводник), на основе которого изготовлен диод, например:

Г или 1 — германий или его соединения;

К или 2 — кремний или его соединения;

А или 3 — соединения галлия (например, арсенид галлия);

И или 4 — соединения индия (например, фосфид индия);

второй элемент — буквенный индекс, определяющий подкласс приборов;

Д — для обозначения выпрямительных, импульсных, магнито- и термодиодов;

Ц — выпрямительных столбов и блоков;

В — варикапов;

И — туннельных диодов;

А — сверхвысокочастотных диодов;

С — стабилитронов, в том числе стабисторов и ограничителей;

Л — излучающие оптоэлектронные приборы;

О — оптопары;

Н — диодные тиристоры;

третий элемент — цифра (или в случае оптопар — буква), определяющая один из основных признаков прибора (параметр, назначение или принцип действия);

четвёртый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа изделия;

пятый элемент — буквенный индекс, условно определяющий классификацию по параметрам диодов, изготовленных по единой технологии.

9 Понятие об активных и пассивных фильтрах. Коэффициент сглаживания, расчет параметров фильтра. Фильтр с активным элементом.

Активный фильтр — один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель.

Активные фильтры включают в себя кроме резисторов и конденсаторов операционные усилители и реже – катушки индуктивности, поскольку они громоздки и дорогостоящи. Достоинство активных фильтров – их компактность, лучшие характеристики, в частности способность усиливать сигналы, дешевизна.

В активных фильтрах используется принцип отделения элементов фильтра от остальных электронных компонент схемы. Часто бывает необходимо, чтобы они не оказывали влияния на работу фильтра. Применение усилителей в активных фильтрах позволяет увеличить наклон частотной характеристики в полосе подавления, что недостижимо при каскадном соединении пассивных RC-цепочек.

Существует несколько различных типов активных фильтров, некоторые из которых также имеют и пассивную форму:

Фильтр высоких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала ниже частоты среза.

Фильтр низких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше частоты среза.

Полосовой фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше и ниже некоторой полосы.

Режекторный фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала в определённой ограниченной полосе частот.

В области верхних частот рабочего диапазона активные фильтры уступают пассивным: практический предел рабочей полосы доходит до 1 МГц, но по мере совершенствования ОУ этот предел будет расширяться. В области нижних частот активные фильтры, не требующие катушек индуктивности, значительно превосходят фильтры пассивные.

Пассивный фильтр — электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными.

Пассивные фильтры используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе к коэффициенты пульсации на выходе или т.е. на нагрузке.

где -это амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; - постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Выбор фильтров зависит от замысла разработчика радиоэлектронного узла, а также от типа выпрямителей, которые различают от однополупериодных до мостовых. Если выбрать П-фильтр, то его элементы рассчитывают следующим образом:

где f – частота питающей сети; Rn – сопротивление нагрузки; С – емкость (конденсатор); Lдр– индуктивность дросселя в цепи; мкф (микрофарад) и Гн (генри) – единицы измерения для емкости и индуктивности.

Кп1 ? (1–0,4) для двухполупериодного выпрямителя.

Для Г-фильтра элементы реостатноемкостной цепи рассчитываются, как

где U1, U2 – напряжения на входе и выходе фильтра; RH,JH – сопротивление нагрузки и ток через него; Rф, Сф – сопротивление и емкость Г-фильтра.

После фильтрации выпрямленного напряжения в радиоэлектронных узлах, для их еще более качественного питания устанавливают параметрические стабилизаторы напряжения.

Для выбора и расчета стабилизатора требуется: Unmax, Unmin – граничные значения напряжения питания; Jcmax, Jcmin – граничные значения тока стабилизатора; Uc, JH – стабилизированное напряжение на нагрузке и ток через нее.

После выводят еще несколько параметров и выбирают по справочным данным соответствующие радиоэлектронные компоненты.

Находят при заданном JH

При сильных флуктуациях JH, находят граничные значения Jc и выбирают подходящее. После всего прочего необходимо определить ограничительное сопротивление.

коэффициент сглаживания самого стабилизатора:

здесь rg – дифференциальное сопротивление самого параметрического стабилизатора.