Лекция по учебной дисциплине:

Основы электротехники

Тема 3. Полупроводниковые приборы.

Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение.

Занятие 2. Транзисторы их свойства и применение, тиристоры свойства, применение в технике.

Занятие 3. Логические элементы, назначение и применение в электронике.

Учебные и воспитательные цели

1. Ознакомить курсантов полупроводниковыми материалами и их свойствами

2. Ознакомить курсантов с полупроводниковыми приборами, их характеристиками.

3. Ознакомить курсантов с логическими элементами и их применением в электронной технике.

ВРЕМЯ: 3 часа (135 минут):

Занятие 1: 1 час;

Занятие 2: 1 час

Занятие 3: 1 час

МЕТОД: лекция

МЕСТО: учебная аудитория

РАЗРАБОТАЛ: ЖЕРДЕВ И.А.

Астана 2010г.

Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение.

Изучаемые вопросы:

1. Организационная часть занятия (2 мин.).

2. Полупроводниковые материалы(15 мин.).

3. Р-n переход(10мин.).

4. Полупроводниковые диоды (15 мин.)

5. Заключительная часть занятия (3 мин.).

Занятие 2. Транзисторы их свойства и применение, тиристоры свойства, применение в технике.

Изучаемые вопросы:

1. Организационная часть занятия (2 мин.).

2. Транзисторы свойства, применение в электротехнике (20 мин.).

3. Тиристоры основные свойства, применение в электротехнике(20мин.).

4. Заключительная часть занятия (3 мин.).

Занятие 3. Логические элементы, назначение и применение в электронике.

Изучаемые вопросы:

1. Организационная часть занятия (2 мин.).

2. Логические элементы их применение в электротехнике (10 мин.).

3. Теоретические основы работы логических элементов (30мин.).

4. Заключительная часть занятия (3 мин.).

Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение

Изучаемые вопросы:

1. Организационная часть занятия (2 мин.).

2. Полупроводниковые материалы(15 мин.).

3. Р-n переход(10мин.).

4. Полупроводниковые диоды (15 мин.)

5. Заключительная часть занятия (3 мин.).

3.1.1 Организационная часть занятия (2мин.).

1. Вводная часть

1. проверить количество курсантов;

2. довести краткие сведения о полупроводниковых материалах и приборах, их применении в современной технике.

3.1.2 Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности.

Начало активной разработки полупроводниковых приборов относится к 40-м годам прошлого столетия, когда впервые при экспериментальных исследованиях точечных диодов были обнаружены усилительные свойства некоторых полупроводниковых конструкций. Дальнейшее исследования позволили выяснить электрофизические процессы происходящие при этом и использовать их в технике.

Для уяснения принципа работы полупроводниковых приборов рассмотрим основные электрофизические явления в полупроводниковых материалах.

В зависимости от проводимости все вещества делятся на: проводники (металлы), диэлектрики (непроводники), и полупроводники. Электрические свойства твердых тел определяется расположение электронных уровней.

Электроны в атоме обладают различной энергией. Набор всевозможных значений электронов данного атома представляют с помощью схемы (диаграммы энергетических уровней). В молекулах следствии взаимодействия между атомами отдельные энергетические уровни расщепляются, в кристаллах взаимодействие настолько сильное, что уровни вырождаются в зоны. Области между зонами соответствуют значениям энергии которыми электроны обладать не могут, и называются запрещенными зонами.

Любая разрешенная энергетическая зона состоит из большого числа близкорасположенных энергетических уровней, на каждом из которых может находиться по два электрона с противоположными спинами. В энергетических зонах с полностью занятыми уровнями электроны не могут свободно перемещаться, создавая проводимость. Последняя из заполненных энергетических зон называется валентной.

Электрическая проводимость обусловлена свободно движущимися электронами. Их энергетические уровни располагаются выше в незаполненной разрешенной зоне, которая называется зоной проводимости.

Различие между проводниками полупроводниками и диэлектриками объясняется шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны может быть так же равна нулю. В этом случае валентная зона и зона проводимости перекрываются.

В металлах имеется очень много свободных электронов. На каждые 1-10 атомов приходится один свободный электрон, который может свободно перемещаться между атомами. Совокупность свободных электронов называется электронным газом. Приложенное к проводнику напряжение создает электрическое поле, под действием которого возникает направленное движение электронов.

При 0 К полупроводники не содержат свободных электронов и поэтому представляют собой диэлектрики. Однако в отличие от диэлектриков у полупроводников при повышении температуры возникает проводимость. Техническое применение это свойство полупроводников находит в термисторах и сопротивлениях с отрицательным температурным коэффициентом.

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и пустых мест (дырок) движется в противоположных направлениях, проводимость возрастает с повышением температуры.

Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомов других элементов (легированием). При введении в решетку полупроводника примесей возникает примесная проводимость. Например при легировании четырехвалентного германия пятивалентным мышьяком (или сурьмой, фосфором) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. Один атом примеси приходится на 10⁵ – 10⁶ атомов решетки полупроводника. Примеси приводящие к появлению свободных электронов называются донорными. При этом происходит увеличение свободных электронов примерно в 10³, электроны в данном случае являются основными носителями, а сам полупроводник с электронной проводимостью или n-типа.

Проводимость проводника можно увеличить легируя его элементами с меньшей валентностью. При введении в решетку четырехвалентного германия трехвалентного индия (либо бора, галлия), то в месте введения атома примеси возникает лишняя дырка, такие примеси уменьшают количество свободных электронов, и их называют акцепторными. Такой полупроводник называется дырочным полупроводником, или полупроводником р-типа.

3.1.3 Р-n переход

При соединении двух полупроводников с различными типами проводимости в месте соединения образуется пограничный слой, через который диффундируют основные носители заряда из области, где они являются основными, в сопредельную область, стремясь уравнять значение концентрации по обе стороны этого слоя. В результате этого по обе стороны возникает тонкий слой, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя. Если положительный полюс источника соединить с р-областью, а отрицательный соответственно с областью n-типа, то большое число основных носителей диффундирует в пограничный слой, где произойдет рекомбинация. При этом возникает относительно большой прямой электрический ток. При использовании обратной полярности, то есть положительный вывод источника питания соединен с n-областью, а отрицательный с р-областью, основные носители покидают пограничный слой. В рекомбинации участвуют относительно небольшое количество неосновных носителей и возникает очень слабый обратный ток.

Таким образом p-n переход работает как выпрямитель, для сравнения из гидравлических агрегатов подходит обратный клапан, пропуская ток только из р-области в n-область.