8.2. Методические указания и контрольные вопросы

8.2.1. Полупроводниковые приборы

8.2.1.1. Электропроводность полупроводников

Изучить механизм электропроводности полупроводников. Обратить внимание на особенности образования носителей зарядов-электронов и дырок, на процессы генерации и рекомбинации пар. Собственные и примесные полупроводники. Различать основные и неосновные носители зарядов в полупроводниках n-типа и p-типа.

Обратить внимание на соотношение концентраций основных и неосновных носителей в примесном полупроводнике.

8.2.1.2. Процессы в электронно-дырочном переходе. Изучить процессы, происходящие на границе раздела p и n слоев в электронно-дырочном переходе. Обратить внимание на главную особенность p и n перехода  наличие объёмного заряда вблизи перехода, а также на зависимость толщины слоя объёмного заряда от концентрации примесей в симметричном и несимметричном переходе, и на возникновение электрического поля и разность потенциалов в p-n переходе. Отметим, что в изолированном p-n переходе (при отсутствии внешнего напряжения) диффузионная и дрейфовая составляющие тока через переход находятся в динамическом равновесии.

Изучить электрические процессы в p-n переходе при наличии внешнего напряжения. Обратить внимание на зависимость потенциального барьера от величины приложенного внешнего напряжения, на распределение токов через.p-n переход. Изучить вольтамперную характеристику p-n перехода, и математическую аппроксимацию. При обратном включении p-n перехода обратить внимание на виды пробоя. Необходимо изучить три механизма пробоя p-n перехода: туннельный, лавинный и тепловой. Знать, что лавинный пробой применяется в полупроводниковых стабилитронах и лавинных выпрямительных диодах.

8.2.1.3. Полупроводниковые диоды . Изучить устройство, систему обозначений, принцип действия, классификацию, области применения диодов, их характеристики и параметры. Необходимо знать несколько предельных и характеризующих параметров выпрямительных диодов. Уметь пояснить следующие предельные параметры:

1) повторяющееся импульсное обратное напряжение U _{ОБР И П} (U _RRM); 2) максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) I _ПР (I _FAVM); 3) действующий прямой ток I _{ПР Д} (I _FRMS). Характеризующие параметры: 1) пороговое напряжения U _ПОР (U _ТО); 2) дифференциальное сопротивление r _диф (r_т); 3) импульсное прямое напряжение U _{ПР И} (U _FM); 4) тепловое сопротивление переход  окружающая среда R _{θ пер – окр} (R _thja); 5) средняя прямая рассеиваемая мощность P _{ПР СР} (P _FAV); 6) повторяющийся импульсный обратный ток I _{ОБР И П} (I _RRM); 7) время обратного восстановления t _{ВОС ОБР} (t _{r r}).

Ознакомиться со схемами последовательного и параллельного соединения выпрямительных диодов и обратить внимание на их подбор по параметрам.

Изучая полупроводниковый стабилитрон, рассмотреть его устройство, принцип действия, характеристики и параметры, эквивалентную схему. 8.2.1.4. Биполярные транзисторы. Изучить принцип действия и основные параметры биполярного транзистора. Ознакомиться со схемами включения транзистора и основными характеристиками для схем с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Обратить внимание на способы задания исходного режима транзистора, на токи и напряжения покоя. Этот режим наряду с предельно допустимыми эксплуатационными параметрами нужно показывать на характеристиках транзистора. Нужно уметь с помощью характеристик определять h-параметры транзистора, а также анализировать работу транзисторного каскада.

Обратить внимание на эквивалентные схемы транзистора и на зависимость параметров от способа включения транзистора. Учитывать, что эквивалентные схемы в основном рассматриваются для малых приращений токов и напряжений. Знать параметры транзисторов: 1) статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h _21Э (B); 2) напряжение насыщения коллектор-эмиттер U _{КЭ НАС}; 3) дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_К (r _d); 4) обратный ток коллекторного перехода I _КБО (I _КО). Предельные параметры: 1) максимально допустимый постоянный ток коллектора I _{К МАКС}; 2) максимально допустимый постоянный ток базы I _{Б МАКС}; 3) максимально допустимый импульсный ток коллектора I _{К И МАКС}; 4) максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер U _{КЭ МАКС}; 5) максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер U _{КЭ И МАКС}; 6) максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора P _{К МАКС.}

8.2.1.5. Полевые транзисторы. Изучить принцип действия, основные параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. Знать основные параметры транзистора и его схему замещения.

Изучить принцип действия, основные параметры и характеристики МДП-транзисторов. Различать МДП-транзистор с индуцированным и встроенным каналом. Знать особенности их работы и характеристики.

Знать параметры полевого транзистора: 1) крутизну характеристики S; 2) максимально допустимый постоянный ток стока I _{С МАКС}; 3) начальный ток стока I _{С НАЧ}; 4) напряжение отсечки полевого транзистора U _{ЗИ ОТС}; 5) максимально допустимое напряжение сток-исток U _{СИ МАКС};

6) максимально допустимое напряжение затвор-исток U _{ЗИ МАКС}; 7) максимально допустимая рассеиваемая мощность полевого транзистора P _{С МАКС}.

8.2.1.6. Тиристоры. Ознакомиться с основными типами тиристоров, их устройством, принципом действия, характеристиками и параметрами. Обратить внимание на особенности их включения и выключения, специфику характеристик, а также на возможность пропускания больших токов.

Принцип действия тиристора рассмотреть на модели, состоящей из двух транзисторов типов p-n-p и n-p-n. На модели видно, что между транзисторами существует положительная внутренняя обратная связь. При повышении прямого анодного напряжения увеличиваются коэффициенты передачи тока α₁ и α₂ транзисторов p-n-p и n-p-n. При выполнении условия (α₁+α₂)=1 транзисторы переходят в режим насыщения. Благодаря положительной обратной связи процесс включения тиристора происходит лавинообразно (время включения 1…10 мкс). Анодное напряжение, при котором тиристор включается, называется напряжением переключения. При увеличении тока управления уменьшается напряжение переключения. Предельные и характеризующие параметры тиристора аналогичны параметрам выпрямительных диодов.

Для тиристоров, работающих на повышенной частоте, необходимо учитывать динамические параметры тиристора: 1) время включения; 2) время выключения; 3) максимально допустимую скорость нарастания прямого напряжения (du _а / dt) _кр; 4) максимально допустимую скорость нарастания прямого тока (di _a / dt) _кр.

Параметры цепи управления тиристора: 1) отпирающий постоянный ток управления I _У.ОТ и отпирающее постоянное напряжение управления U _У.ОТ; 2) длительность управляющего импульса t _У. Измерение отпирающих тока и напряжения управления производиться при прямом напряжении в закрытом состоянии, равном 12 В. Значение I _У.ОТ и U _У.ОТ, отложенные на входных характеристиках, позволяют получить зоны гарантированного включения тиристора для нормальной, минимальной и максимальной температур. В типовых преобразователях используется управление импульсами; при этом для включения тиристора требуется больший ток через управляющий электрод, чем значение I _У.ОТ.

Тиристор выключается при уменьшении анодного тока до тока удержания, когда уменьшается внешнее приложенное к схеме и тиристору напряжение. Ток управления влияет только на одну операцию – включение.

Принцип действия симметричного тиристора (симистора) необходимо рассмотреть на модели, состоящей из двух тиристоров. Симистор пропускает ток в обоих направлениях. Управление симистора происходит так же, как и обычного тиристора. Параметры анодной цепи, цепи управления аналогичны тиристору.

Ознакомиться со схемами последовательного и параллельного соединения тиристоров и обратить внимание на их подбор по параметрам.

8.2.1.7. Фотоэлектронные приборы

Необходимо иметь в виду, что действие приборов, содержащих p-n переходы, не изменяется от способа управления – воздействия лучистой энергии. Необходимо знать характеристики и основные параметры фотоэлектронных приборов: вольтамперные характеристики, энергетические характеристики, интегральную чувствительность, темновой ток, темновое и световое сопротивления.

Знать два режима фотодиода: вентильный и фотодиодный. В вентильном режиме фотодиод является источником напряжения.

Изучая фототранзистор и фототиристор, обратить внимание на то, что они управляются как оптическим, так и электрическим сигналом. Сравнивая фотоэлектронные приборы, убедиться, что фототиристор по сравнению с фотодиодом и фототранзистором обладает большей интегральной чувствительностью, большей нагрузочной способностью.

8.2.1.8. Полупроводниковые излучающие и оптоэлектронные приборы

Из электролюминесцентных приборов обратить внимание на светодиод, который применяется для индикации режима работы электронных схем, для изготовления знакосинтезирующих индикаторов, в оптоэлектронных приборах.

При изучении оптронов обратить внимание на то, что они сочетают в себе излучатель и фотоприёмник, благодаря чему имеют следующие достоинства: 1) обеспечение идеальной гальванической развязки между входом и выходом; 2) однонаправленность распространения информации по оптическому каналу и отсутствие обратной связи; 3) широкую частотную полосу пропускания; 4) невосприимчивость оптических каналов связи к электромагнитным помехам. В то же время им присущи недостатки: 1) значительная потребляемая мощность и невысокий кпд; 2) повышенная чувствительность параметров и характеристик к действиям повышенной температуры и радиации.

Изучить схемы включения светодиодов и фотоприёмников: фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров. Знать схемы фиксации мощности излучения светодиода, использующие биполярный или полевой транзистор; схемы модуляции светового потока на линейном участке амплитудной характеристики излучателя; схемы переключателей светодиодами. Схемы включения фотоприёмников строятся также на транзисторных усилителях, но в отличие от обычных каскадов здесь требуется меньшее усиление для излучателей.

Сравнивая оптотиристор с обычным тиристором, иметь в виду, что оптотиристор применяется в устройствах бесконтактного управления цепями постоянного и переменного тока при мощности нагрузки порядка единиц кВт, а в высоковольтных преобразователях большой мощности он выполняет функцию управления более мощным тиристором.

8.2.1.9. Интегральные микросхемы

Ознакомиться с развитием микроэлектроники, классификацией микросхем по технологии изготовления, характеру выполняемых функций и степени интеграции. Обратить внимание на особенности технологии изготовления микросхем, конструкции, а также на назначение и области применения аналоговых и цифровых микросхем.

8.2.1.10. Полупроводниковые гальваномагнитные приборы

Ознакомиться с эффектом Холла, преобразователями Холла, их технологией изготовления и конструкцией. Знать основные свойства и параметры. Обратить внимание на использование датчиков Холла.

8.2.1.11. Контрольные вопросы

1. В чем отличие механизма электропроводности полупроводников от механизма электропроводности проводников и диэлектриков?

2. На чем основывается механизм проводимости полупроводников?

3. Поясните образование электронной и дырочной проводимости полупроводников.

4. Поясните возникновение p-n перехода и объясните процессы, происходящие при прямом и обратном включении p-n перехода.

5. Назовите типы пробоев и охарактеризуйте каждый из них.

6. Перечислите основные предельные параметры выпрямительных диодов. По какому предельному параметру определяется класс диодов?

7. Перечислите основные характеризующие параметры выпрямительных диодов.

8. Поясните принцип действия полупроводникового стабилитрона.

9. Перечислите основные параметры и характеристики полупроводникового стабилитрона.

10. Покажите схемы последовательного и параллельного соединения диодов

11. Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора.

12. Поясните вид статических характеристик биполярного транзистора в схеме включения с общей базой. Показать, как по характеристикам определяются параметры: статический коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.

13. Поясните вид статических характеристик биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером. Показать, как по характеристикам определяются параметры: статический коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.

14. Сравните усилительные свойства, входные и выходные сопротивления трёх схем включения биполярного транзистора.

15. Объясните, почему при постоянном U _КЭ > U _КЭ.Н увеличение тока базы транзистора вызывает увеличение тока коллектора.

16. Перечислите и опишите основные физические и h-параметры биполярного транзистора.

17. Опишите устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

18. Опишите устройство и принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором. Укажите отличия транзисторов со встроенным и индуцированным каналами.

19. Поясните вид статических характеристик полевого транзистора. Показать, как по характеристикам определяются параметры: крутизна, коэффициент усиления по напряжению, дифференциальное выходное сопротивление.

20. Опишите схемы включения полевых транзисторов и их основные параметры и характеристики.

21. Поясните принцип действия тиристора с помощью транзисторных аналогов четырёхслойной структуры. 22. Перечислите статические параметры тиристора, поясните их физический смысл и связь с параметрами выходной ВАХ тиристора.

23. Назовите и опишите предельные и характеризующие параметры тиристора. По какому параметру определяется класс тиристора?

24. Назовите и опишите характеристики и параметры цепи управления тиристора.

25. Приведите типовые схемы последовательного и параллельного соединения тиристоров.

26. Принцип действия, характеристики и параметры симистора.

27. Принцип действия, характеристики и параметры фоторезистора.

28. Принцип действия, характеристики и параметры фотодиода.

29. Принцип действия, характеристики и параметры фототранзистора.

30. Принцип действия, характеристики и параметры фототиристора.

31. Принцип действия, характеристики и параметры светодиода.

32. Устройство и принцип действия оптронов.

33. Классификация и виды оптронов, их параметры.

34. Классификация микросхем по технологии изготовления, по конструктивному оформлению, по форме обработки информации, по степени интеграции, по области применения.

35. Условные обозначения микросхем и их параметры.

36. Перечислите пассивные и активные элементы интегральных микросхем. Описать их конструкции.

37. Опишите устройство и принцип действия датчика Холла. Приведите его параметры.

Литература

[1, гл.1, гл.2].

[2, гл.2, гл.3].

[3, гл.1].

[4, гл.1].