1.2 Елементи електронних схем

1.2.1 Нелінійні напівпровідникові резистори

Нелінійні напівпровідникові резистори представляють широкий клас напівпровідникових приладів, принцип дії яких грунтований на властивостях напівпровідникових матеріалів змінювати свій опір під дією різних зовнішніх чинників (температури, світла, магнітного поля, механічної дії). До нелінійних напівпровідникових резисторів відносяться терморезистори, фоторезистори, магниторезистори, тензорезистори. Відмітною особливістю цього класу напівпровідникових приладів є симетричність їх вольт-амперних характеристик, дивися ВАХ на рисунку 1.5.

а) - терморезистор, б) - фоторезистор, в) - магніторезистор,

г) - тензорезистор

Рисунок 1.5 - Умовні графічні зображення і вольт-амперні характеристики

Під дією температури в терморезисторі відбувається генерація пар електрон-дірка, внаслідок чого струм I через терморезистор збільшується при незмінній зовнішній напрузі U, тобто зі збільшенням температури опір терморезистора зменшується, дивись рисунок 1.6, а.

Генерація вільних електронів і дірок може відбуватися не лише під дією фононів (квантових часток, які є носіями енергії але і під дією фотонів - квантових часток світла. При збільшенні світлового потоку Ф збільшується струм I через фоторезистор, а його опір R зменшується, дивися рисунок 1.6, б.

У магніторезисторах використовується ефект Гауса, що характеризується тим, що зі збільшенням напруженості магнітного поля H (магнітній індукції B) подовжується шлях електронів, внаслідок чого струм I через магниторезистор, розташований в зоні дії магнітного поля, зменшується, а його опір R збільшується, дивись рисунок 1.6, в.

У тензорезисторах відносна зміна їх лінійних розмірів (тобто деформація) по-різному впливає на величину опору залежно від типу напівпровідника: збільшення призводить до зменшення опору у разі напівпровідника n- типу і, навпаки, - до збільшення опору у випадку напівпровідника p-типу, дивись рисунок 1.6, г.

а) – терморезистор, б) – фоторезистор, в) – магніторезистор, г) - тензорезистор

Рисунок 1.6 - Залежність опорів

1.2.2 Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод - прилад з двома виводами, що містить один електронно-дірковий перехід.

У напівпровідникових діодах використовується властивість односторонньої провідності (струм проходить тільки в одному напрямі) обумовлюється застосуванням структури, що поєднує в собі два шари, один з яких має діркову (p) - (анод), а інший - електронною (n) - (катод) провідністю. Принцип дії напівпровідникового діода грунтується на специфіці процесів, що протікають на межі розділу p, - і n- шарів, в так званому електронно-дірковому переході (p-n- переході).

Достоїнства:

1 малі габаритні розміри і маса;

2 високий ККД (понад 99%);

3 відсутність розжарюваного джерела електронів;

4 необмежений термін служби (при виконанні правил експлуатації);

5 висока надійність.

Вольт-амперна характеристика ідеального діода.

Вольт-амперна характеристика ідеального діода приведена, дивись на рисунок 1.7 і має вигляд відрізків прямих, співпадаючих з а при додатку до ідеального діода зворотної напруги його зворотний струм дорівнює нулю.

Рисунок 1.7 - ВАХ ідеального діода

В ольт-амперна характеристика реального діода показана на рисунках 1.8 і 1.9

Пряма гілка ВАХ реального діода відрізняється від ВАХ p-n переходу із-за наявності об'ємного опору шарів напівпровідника, прилеглих до p-n- переходу. На рисунку 1.8 показана ВАХ діода, отримана підсумовуванням ВАХ p-n- переходу і ВАХ об'ємного опору шарів напівпровідника, прилеглих до p-n- переходу.

Відмінність зворотної гілки ВАХ p - n- переходу від ВАХ реального діода обумовлено наявністю двох чинників :

1) струмом витоку через p-n- перехід

2) додатковою генерацією носіїв заряду

Обидва чинники призводять до того, що зворотна гілка вольт-амперної характеристики діода набирає вигляду, показаного на рисунку 1.9.

Внаслідок наявності різних забрудників (пил і тому подібне) на зовнішній поверхні p-n- структури підвищується її поверхностна електрична провідність і при наявності зворотної напруги виникає зворотний струм крізь діод – струм витоку. Струм витоку пов'язаний лінійною залежністю з напругою . Ця складова зворотного струму обумовлює появу похилої ділянки 1-2 на характеристиці діода, рисунок 1.9.

Вплив генерації носіїв заряду в p-n- переході зазвичай позначається при підвищеній зворотній напрузі. Воно проявляється спочатку у вигляді деякого зростання зворотного струму у міру зростання зворотної напруги (ділянка 2-3), а потім в різкому зростанні зворотного струму (ділянка 3-5), викликаним пробоями p-n- переходу.

Залежно від причин, що викликають появу додаткових носіїв заряду в p-n- переході, розрізняють електричний пробій, що проявляється на ділянці 3-4, і тепловий пробій, що проявляється на ділянці 4-5. Електричний пробій, у свою чергу, може бути лавинним або тунельним.

Можливість теплового пробою p-n- переходу враховується вказівкою в паспорті на прилад допустимої зворотної напруги і температурного діапазону роботи. Величина допустимої зворотної напруги встановлюється (0,50,8) U_пр.

Напівпровідникові діоди підрозділяються на:

- випрямні;

- імпульсні;

- тунельні;

- фотодіоди;

- випромінюючі (світлодіоди);

- варикапы;

- високочастотні;

- універсальні.