Курс лекций по

дисциплине «Электронная техника».

Полупроводники и их свойства.

Электроника - это наука о взаимодействии электронов с веществами и электромагнитными полями, и о методах создания электронных приборов и устройств.

Электронные устройства состоят из электронной базы, которая представляет собой отдельные детали или модули.

Элементы принято разделять на 3 группы:

1)Активные - это электронные приборы, с помощью которых можно получить усиление электрических сигналов.

2)Преобразующие - это приборы, которые преобразуют сигнал одного вида энергии в сигнал другого вида энергии, либо в тот же самый но с другими значениями параметров.

3)Пассивные – это приборы, которые служат для создания определенного режима работы, активных и преобразующих элементов.

Электронные приборы – это приборы, в которых проводимость осуществляется по средствам электронов или ионов движущихся в газе, вакууме или в полупроводнике.

Полупроводники – это вещества с удельным сопротивлением на Ом ·см.

Если на полупроводник воздействуют внешние факторы в частности температура то при повышении температуры атомная решетка, начинает колебаться, излучаются тепловые кванта - фононы. Энергия фонона становится достаточной для нарушения связи внешнего электрона с атомом, оторвавшийся электрон переходит через запрещенную зону в зону проводимости и становится свободным, в валентной зоне образуется вакантный энергетический уровень. На месте ушедшего электрона становится «дырка». Электроны и дырки называются собственными носителями полупроводника. Процесс образования электронов и дырок называется процессом генерации. В чистом полупроводнике при отсутствии внешних факторов всегда соблюдается равенство электронов и дырок. Среднее время существования электронов и дырок называется объемным временем жизни носителей. За время своего существования электроны и дырки успевают переместиться на определённое расстояние. Это расстояние называется средней длиной свободного пробега электрона и дырки.

Электрическая проводимость чистого полупроводника определяется количеством общего носителя зарядов. Электрическая проводимость чистого полупроводника весьма низкая из-за малого числа носителей.

Особенность полупроводников заключается в том, что ничтожная добавка в них примесей повышает их электрическую проводимость. Примеси отдающие электроны называются донорными. Примеси захватывающие электроны называются акцепторными.

В полупроводниках с донорными примесями основными носителями являются электроны, не основными дырки. В полупроводниках с акцепторными примесями основными носителями являются дырки, не основными электроны.

Удельное сопротивление легированного полупроводника зависит от концентрации примесей.

Если взять 2 полупроводника [n] и [p] типа, с одинаковым количеством примесей и соединить между собой то - электроны начнут диффундировать в области [p] полупроводника.

Если взять 2 полупроводника [n] и [p] типа, с одинаковым количеством примесей и соединить между собой, то электроны начнут диффундировать в область [p] полупроводника. В граничном слое произойдёт рекомбинация дырок, а в другом обеднение электронов. Из 2 граничных слоёв образуется слой, состоящий из неподвижных положительных и отрицательных ионов, которые создают положительные и отрицательные объёмные заряды. Объёмные заряды вызывают образование электрического поля. Под действием электрического поля между границами слоя возникает разность потенциалов.

Контактный слой, обеднённый носителями электрических зарядов, принято называть [p]-[n] переходом, электрическим переходом или электронно-дырочным переходом.

Электрический переход- это переходный слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами проработанности.

Слой лишённый подвижных носителей и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением называют запирающим.

Возникшая разность потенциалов между концами слоя препятствует переходу электронов и дырок из слоя n в p и наоборот. В тоже время электроны могут двигаться из полупроводника n типа в полупроводник p типа, а дырки из[p] в [n]. Разность потенциалов препятствует движению основных носителей и не препятствует движению не основных носителей, которые образуют дрейфовый ток. При движении не основных носителей происходит снижение разности потенциалов, т.е. нарушается электрическое сопротивление запирающего слоя, что приводит к движению основных носителей заряда. Появляется диффузный ток, который направлен навстречу дрейфовому току, т.е. возникает динамическое равновесие. Если к полупроводнику подключить источник питания «+» к [p], а «―» к [n] области, то запирающий слой сжимается. Контактная разность потенциалов уменьшается, электрическое сопротивление уменьшается, диффузный ток становится больше дрейфового, и такой ток называется прямым, а напряжение также называется прямым. При обратном включении источника питания ширина запирающего слоя увеличивается, его сопротивление становится больше и увеличивается дрейфовый ток, который называется обратным током, напряжение также называется обратным.

Виды пробоя [p], [n] перехода.

Существует 3 вида пробоя:

1)Электрический.

2)Тепловой.

3)Туннельный.

Электрический пробой наступает при больших обратных напряжениях. Он обусловлен лавинным размножением носителей зарядов или туннельным эффектом, при этом скорость электронов достигает скорости ионизации.

Тепловой пробой возникает вследствие выделения большой тепловой мощности.

Туннельный пробой - это электрический пробой, вызванный туннельным эффектом, природа которого связана с прохождением электронов в зону проводимости без сообщения им необходимой энергии.

Полупроводниковые диоды.

Выпрямительные диоды.

Полупроводниковым диодом - называется полупроводниковый прибор с одним [p]-[n] переходом и двумя выводами, в которых используются свойства перехода.

Диоды бывают двух видов:

1)Точечные.

2)Плоскостные.

Как выпрямительные используются и точечные и плоскостные диоды. В точечном диоде используется пластинки германия или кремния 0,1 – 0,6 мм. И S=0,5 –

С пластиной соприкасается заострённая стальная проволока, которая вплавляется в полупроводник и образует [p] область. Всё это помещается в корпус и делается 2 вывода. В связи с тем, что S [p]-[n] перехода в данных диодах мала межэлектродная ёмкость небольшая. Поэтому точечный диод используется в области сверх высоких частот и для выпрямления малых токов и напряжения.

В плоскостных диодах [p]-[n] переход образуется двумя полупроводниками с двумя типами проводимости.

Плоскостные диоды бывают:

1)Микроплоскостные.

2)Силовые.

Площадь их перехода лежит в пределах от сотых долей мкм. до нескольких Благодаря большой S([p]-[n]) плоскостных диодов прямой ток их составляет от 1 до 1000 А.

Основные параметры диодов:

1)Прямое напряжение.

2)Максимально допустимый прямой ток и прямой максимум.

3)Максимально допустимое обратное напряжение.

4)Обратный ток диода.

Полупроводниковый стабилитрон.

Стабилитрон- это полупроводниковый прибор напряжение, на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Он используется в параметрических стабилизаторах.

Параметры:

1)Напряжение стабилизации.

2)Динамическое сопротивление на участке стабилизации.

3)Минимальный ток стабилизации.

4)Максимальный ток стабилизации.

5)Температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

Стабисторы.

Стабилизацию постоянного напряжения можно получить с помощью диода включенного в прямом направлении. Такие диоды называются стабисторами. Для этих целей используются кремниевые диоды с большой концентрацией примесей, что необходимо для уменьшения динамического сопротивления при прямом включении. Кроме того уменьшаются температурные изменения в прямой ветви вольтамперной характеристики, что обеспечивает меньший температурный коэффициент в напряжении стабилизации.

Туннельные диоды.

Туннельный диод- это диод на основе вырожденного полупроводника в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью.

При подаче прямого напряжения на диод за счёт дополнительных зарядов находящихся в зоне проводимости, которые скопились там за счёт собственной энергии, так резко возрастает до значения тока пика, затем резко падает до значения тока впадины.

Параметры:

1)Ток пика.

2)Отношение тока пика к току впадины.

Применяется туннельный диод в генераторах высокой частоты и импульсных переключателях.

Обращённые диоды.

Обращенный диод- это диод на основе полупроводника с критической массой примесей электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Это разновидность туннельного диода, у которого ток пика =0, при небольшом обратном напряжении он достигает нескольких мА.