Экзаменационный билет № 28

1. Тиристоры (определение, структура, УГО, принцип действия, характеристики, параметры и применение)

Тиристоры - полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, которые могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов Ом, и он практически не пропускает ток при напряжениях до десятков вольт. В открытом состоянии сопротивление стремится к 0. Падение напряжения на нём около 1 вольта при токах в десятки и сотни ампер. 1.Диодные тиристоры (динисторы), имеют два внешних электрода - анод и катод, обладают неизменным напряжением включения. 2.Триодные тиристоры (тринисторы), кроме катода и анода имеют третий электрод - управляющий. Наличие управляющего электрода позволяет не меняя анодного напряжения изменять напряжение включения.

I – закрытое состояние (через динистор проходит небольшой ток); II - переходный от I к III (ограничен U_вкл и I_выкл) – лавинный процесс динистора, обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением; III – открытое состояние динистора, продолжается лавинный процесс, большие токи и малые падения напряжения; все переходы в открытом состоянии, малое внутреннее сопротивление динистора.

Особенности четырехслойной структуры тиристора. Три электронно-дырочных перехода ЭП₁,КП, ЭП₂. При полярности (p₁+ и n₂-) ЭП₁, и ЭП₂ смещены в прямом направлении и обладают небольшим сопротивлением. КП включен в обратном направлении и обладает большим сопротивлением. На первом участке ВАХ через динистор протекает небольшой ток – закрытое состояние. Переход динистора в открытое состояние происходит благодаря лавинному размножению носителей электрических зарядов. Принцип работы. С ростом прямого напряжения из эмиттерной области p₁ дырки, преодолевая потенциальный барьер ЭП₁ инжектируются в базовую область n₁. Дырки, прошедшие базу и коллекторный переход КП, входят в базовую область p₂ . Потенциальный барьер эмиттерного перехода ЭП₂ задерживает некоторую часть дырок в базовой Области p₂ , тем самым образуя в ней нескомпенсированный положительный заряд , снижающий высоту потенциального барьера ЭП₂. Снижение потенциального барьера увеличивает

инжекцию электронов из эмиттерной области n₂ в базовую область p₂. В базовой области n₁ как и в p₂ создается избыточный заряд электронов, что приводит к еще большей инжекции дырок из эмиттерной области p₂. Таким образом в динисторе при некоторой величине прямого напряжения,

называемого напряжением включения динистора U_вкл наблюдается лавинный рост тока с одновременным уменьшением падения напряжения на тиристоре.

Тринисторы. Недостатком динистора является невозможность управалять напряжением включения не изменяя внешнего напряжения. Этот недостаток устранен в управляемом тиристоре (тринисторе), в котором один из эмиттеров сделан управляющим. Управление напряжением переключения в тринисторе осуществляется подачей напряжения на третий – управляющий электрод, подключенный к одной из баз тринистора. С ростом управляющего тока уменьшается потенциальный барьер, увеличивается инжекция зарядов, растет ток. При некотором управляющем токе (токе спрямления) ВАХ напоминает прямую ветвь ВАХ обычного диода . После перехода тринистора в открытое состояние управляющий электрод теряет свои управляющие свойства. Для перевода тринистора в закрытое состояние необходимо уменьшить напряжение на его аноде до величины, при которой ток тринистора станет меньше тока включения или подать на управляющий электрод импульс обратной полярности. Основное применение тиристоров - схемы с ключевым режимом работы. Маркировка тиристоров. Тиристоры изготавливаются из кремния методом сплавления и диффузии. Первый элемент буква К или цифра 2 указывает на материал тиристора. Второй элемент – буква Н для неуправляемых и У для управляемых тиристоров. Третий элемент – трехзначное число определяет, на какой ток рассчитан тиристор (до 0,3А – 101-199; от 0,3до 10А – 201-299; свыше 10А - 301-399;)

2. Характеристики фотоэлементов: ВАХ, световая, спектральная. Фотоэлектронный умножитель.

Электронные приборы, принципы действия которых основаны на преобразовании лучистой энергии в электрическую, называются фотоэлектронами. Сущность внутреннего фотоэффекта: образование электрических зарядов дырок и электронов внутри полупроводника при облучении его потоком лучистой энергии. На этом явлении созданы фоторезисторы, фотодиоды, фототриоды. В приборах с внешним фотоэффектом (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) получение свободных электронов с поверхности фотокатода обусловлено фотоэлектронной эмиссией, изученной Столетовым. Столетов установил: I_ф = n*e = K*Ф, где I_ф – фототок, мкА; n – число электронов; e – заряд электрона, Кл; К – коэффициент пропорциональности; Ф – световой поток, лм. Кинетическая энергия электронов, вылетающих с поверхности фотокатода, зависит от частоты потока лучистой энергии и не зависит от его интенсивности. Это закон Эйнштейна: mv²/2 = h*γ – w₀ , где mv²/2 – кинетическая энергия электрона, выходящего с поверхности фотокатода, h – постоянная Планка; γ – частота облучения; hγ – энергия кванта; W₀ = e*ψ₀ – работа выхода электрона. Три группы фотоэлементов: 1)ФЭ с внешним фотоэффектом, в основу которых положен выход электронов с поверхности металла под действием энергии электромагнитного излучения. 2)ФЭ с внутренним и фоторезистивным фотоэффектом, в основу которых положено изменение электрического сопротивления полупроводника под действием энергии электромагнитного излучения. 3)ФЭ с вентильным или фотогальваническим эффектом. В основу которых положено возникновение ЭДС между слоями полупроводника с проводимостью различного типа под действием ЭМ излучения. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ. ФЭ –стеклянный баллон с катодом и анодом. Фотокатод – светочувствительный слой щелочноземельного металла, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона (катод занимает 0,5 поверхности баллона, остальная его часть – окно, через которое свет попадает на фотокатод). Анод – кольцо из никеля. В газонаполненном ФЭ баллон после откачки воздуха заполняется аргоном при низком давлении.

Вентильные элементы. В вентильных фотоэлементах световая энергия преобразуется в электрическую, поэтому для них не требуется посторонних источников тока.

Принцип работы ВЭ. Также как и в ППД в результате перемещения основных носителей заряда на границе ПП и слоя металла образуется запирающий слой. При облучении ФЭ кванты света в p-n-переходе увеличивают число неосновных носителей заряда – дырок в n-области и электронов в p-области. На p-n-переходе образуется избыток зарядов, создающий на внешних выводах ФЭ дополнительную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой. При замыкании электрической цепи под действием Фотоэлектродвижущей силы будет проходить Электрический ток, который зависит от интенсивности светового потока, падающего на Фотоэлемент. Наибольшее распространение получили селеновые, сернисто таллиевые и кремниевые элементы. Интегральная Чувствительность селенового фотоэлемента составляет 400-600 мкА/лм. Максимальная Чувствительность расположена в области голубых и зеленых лучей. Особым типом вентильных фотоэлементов являются кремниевые, которые используются для изготовления солнечных батарей. I_ф=кФ к=I_ф/Ф интегр. чувствительность.

Солнечный элемент. Солнечный фотоэлемент состоит из пластины кремния n-типа. На поверхность пластины методом диффузии в вакууме вводят примесь бора, образуя слой полупроводника p-типа. Толщина этого слоя не превышает 2-3 мкм, поэтому световая энергия легко проникает в зону p-n-перехода. Максимум интегральной чувствительности солнечного элемента лежит в инфракрасной области. Солнечные элементы обладают высоким КПД (до 10-13%). Соединяя последовательно кремниевые фотоэлементы, получают солнечную батарею для электропитания различных устройств.

Фотодиод. Фотодиодом называется двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, обратный ток которого изменяется под действием лучистой энергии и является его рабочим током. Фотодиод подобен вентильному элементу. Фотодиоды могут включаться по двум схемам: с внешним источником электрического питания (фотодиодный режим) и без него (вентильный или фотогальванический режим).

Фотодиодный режим. В отсутствии потока лучистой энергии через p-n- переход протекает небольшой обратный ток – темновой ток, обусловленный неосновными носителями зарядов. При облучении благодаря внутреннему эффекту возникают дополнительные электроны и дырки, происходит рост тока в цепи диода, а следовательно и падения напряжения на сопротивлении нагрузки. Оно пропорционально световому потоку, воздействующему на диод. Вентильный режим. В отсутствии облучающего потока лучистой энергии темнового тока в цепи диода нет, т.к. p-n- переход находится в равновесном состоянии. При облучении в полупроводнике создаются дырки и электроны за счет разрыва ковалентных связей. Под действием электрического поля p-n- перехода дырки проходят в p-область, а электроны- в n-область. Происходит накопление электронов в n-области и дырок – в p-области. Это приводит к росту диффузионных токов, динамическому равновесию и разности потенциалов между электродами.

Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды являются пассивными преобразователями лучистой энергии. Фототранзистор – активный преобразователь, в нем происходит не только преобразование энергии, но и усиление. Фототранзисторы имеют структуру плоскостного транзистора p-n-p или n-p-n-типа с тремя электродами: Э, К, Б.Две схемы включения: со свободной базой и со смещением на базе с общим эмиттером.

Светодиоды. Светодиодом называют полупроводниковый диод с одним электронно-дырочным переходом, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии, которая отдается кристаллической решетке, т. е. превращается в теплоту. Однако у полупроводников, выполненных на основе арсенида галлия, карбида кремния, при рекомбинации происходит излучение света. Характеристики светодиодов. Светодиоды нуждаются в источнике питания с большим внутренним сопротивлением. Для этого последовательно с источником питания включают резистор R₀, в результате ток, проходящий через светодиод, меньше зависит от напряжения питания. Основными характеристиками для светодиодов являются вольт-амперная I_np=f(U), а также зависимость мощности и яркости излучения от прямого тока. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от материала полупроводника и введенных примесей. Так, длина волны излучения приборов из фосфида галлия соответствует зеленому цвету, а введением примесей можно получить более длинно­волновое излучение, которое соответствует желтому и красному цветам.

Основные параметры светодиода. КПД светодиода определяется отношением мощности излучения к электрической мощности, подводимой к диоду, и лежит в пределах 0,1 — 1%. Низкие напряжения (менее 3 В) и малые токи (5—10 мА) обеспечивают совместимость светодиодов с интегральными микросхемами. Это обстоятельство, а также небольшие габариты, высокая надежность, большой срок службы и низкая стоимость делают светодиоды особенно удобными в схемах современных ЭВМ (например, в схемах индикации, системах фотопамяти и др.). Применение. Светодиоды находят примене­ние в индикаторных схе­мах, в вычислительной тех­нике, ядерной радиоэлект­ронике, автоматике, электронных цифровых часах и т. д. Широкое применение получили не отдельные светодиоды, а матрицы светодиодов, позволяющие воспроизводить цифру или букву от Л до Я, применяются в устройствах отображения информации и различных табло. Светодиоды нашли широкое применение в создании нового класса приборов, получивших название оптронов . Характеристики и параметры фотоэлементов.

- световая характеристика.

ВАХ Вакуумного ФЭ: а) и газонаполненного б)

Спектральная характеристика ФЭ. 1 - сурьмяно-цезиевый фотокатод; 2 - а кислородно-цезиевый . сурьмяно-цезиевый фотокатод обладает наибольшей чувствительностью к длинам волн порядка 0,4—0,5 мкм, что соответствует голубому и зеленому свету, а кислородно-цезиевый —красному свету (длина волны в пределах 0,8 мкм).

Параметры ФЭ: Основным параметром фотоэлементов является чувствительность. Различают чувствительность интегральную и спектральную. В формуле I_ф = K*Ф, коэффициент пропорциональности К называется интегральной чувствительностью фотоэлемента (К=I_ф/Ф) и выражается в мкА/лм. Спектральной чувствительностью фотоэлемента называется чувствительность его к монохроматическому излучению определенной длины волны λ. Спектральная чувствительность показывает значение тока, протекающего в цепи фотоэлемента, при облучении заданной длиной волны λ световым потоком в 1 лм и измеряется в мкА/лм. Темновой ток — ток в фотоэлементе, включенное в цепь питания при полном затемнении (Ф=0). Темновой ток вакуумных фотоэлементов значительно меньше, чем газонаполненных. С величиной темнового тока необходимо считаться, в особенности при измерении слабых световых потоков. Термостойкость — величина, определяющая диапазон рабочих температур (обычно от +50 до —20° С). Стабильность фотокатодов — свойство сохранять постоянство параметров во времени. Утомляемость — уменьшение чувствительности при резком увеличении освещенности фотокатода. Это явление проявляется в том, что при большом световом потоке чувствительность фотоэлементов быстро уменьшается во времени, доходя иногда до 25% первоначальной величины. Если такой фотоэлемент поместить на некоторое время в темноту, то его чувствительность восстанавливается почти до первоначального значения.

3. Задача. Изобразить принципиальную электрическую схему двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

К_п = 0,67; U₀ = 2 U_2m /π