1.Параметры электрических сигналов.

Амплитуда – это максимальное отклонение напряжения сигнала от нулевого порога в область положительных или отрицательных значений. Представляет собой пределы, в которых изменяется сигнал. Амплитуда обычно измеряется в Вольтах (В).

Частота – это количество колебаний сигнала в единицу времени. Для стандартизации принято в качестве единицы времени используется одна секунда. Единицей измерения частоты служит Герц (Гц). Один Герц соответствует одному колебанию сигнала в секунду. Фаза показывает, из какого первоначального значения начинает изменяться синусоида. Фаза измеряется в градусах или радианах. Для передачи сигнала используются каналы связи. Канал связи – это путь прохождения сигнала. Канал связи организовывается в какой-либо линии связи: в металлическом или оптическом кабеле, свободном пространстве (в т. ч. и космосе) или какой либо другой среде. Скважность Q - это отношение периода следования прямоугольных импульсов к длительности самого импульса

2. Полупроводники и их свойства.

К полупроводникам относят: кремний, германий, индий, фосфор, оксиды, сульфиды и ряд минералов.

Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. Полупроводники не очень хорошо проводят ток.

В полупроводниковой электронике используют кристаллы. Основные особенности полупроводников: возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры. G-проводиьость (См) Электропроводимость полупроводников зависит от: нагревания, облучения (любого, даже освещения ),электрического и магнитного полей, давления ,ускорения, от незначительного количества примеси. Собственный полупроводник- это вещество, в котором не содержится примеси и нет структурных нарушений кристаллической решетки. (В нем при 0 К- электрический ток отсутствует.)

3. Электропроводность собственных полупроводников.

Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей называется собственной электрической проводностью.

Процесс образования пары электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар носителей зарядов.

Если дырка заполняется электроном, электрон станет не свободным и потеряет возможность перемещаться. А избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным .При этом для внешнего поля одновременно исчезает и дырка и электрон . Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией. Среднее время существования пары носителей зарядов, называется временем жизни носителей зарядов. При отсутствии внешних воздействий и постоянной температуры полупроводник находится в состоянии равновесия ,т.е. число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинаций.

Числу носителей заряда в единице объема полупроводника, т.е. их концентрация, определяет значение удельной электрической проводимости. Для собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова.

4. Примесная проводимость.

Если в полупроводник внести примесь он будет обладать помимо собственной электрической проводимости ещё и примесной.

Приместная электропроводимость может быть электронной или дырочной.

Внесение в полупроводник донорной примеси (примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными или донорами) существенно увеличивают концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остаётся такой же.

Если в полупроводнике электропроводимость обусловлена в основном электронами, то она называется электронной, а полупроводник n-типа.

Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки – не основными.

Примеси, атомы которых способны принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называются акцепторами или акцепторными.

Внесение в полупроводник акцепторной примеси существенно увеличивает концентрацию дырок, а концентрация электронов остаётся такой же. При этом проводимость обусловлена в основном дырками. Её называют дырочной, а такой полупроводник p-типа. Дырки для полупроводника p-типа – основные носители заряда, а электроны – не основные.

Часто полупроводник содержит и донорною, и акцепторную примеси, тогда тип проводимости определяется тем, какой примеси больше. И если они равны, такой полупроводник называется скомпенсированным.

5. p-n переход, дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике.

Область внутри пп на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (p и n типа) называется электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Так- как между областью р и n -типа существует значительная разница концентрации электронов и дырок происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов в область р-типа. Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированый отрицательный заряд иона акцепторной примеси. А с уходом электрона с области n-типа, в ней образуется нескомпенсированый положительный заряд ионо-донорной примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается объемный двойной слой пространственных зарядов, который называется р-n-переходом. Этот слой объединен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико, часто этот слой называют запирающим.

6. Прямое включение p-n перехода.

Если “+” источника напряжения подключить к области р-типа, а “ – “ к области n-типа, то получим включение, которое называется прямым включением. Электрическое поле источника, напряженностью Е_u, направлено на встречу контактному полю напряженностью Е. Тогда результирующая напряженность выразиться:

Е_пр=Е-Е_u Уменьшение напряженности электрического поля р-n-перехода вызывает понижение высоты потенциального барьера, назначение прямого напряжения Е_u (Е источника). Уменьшение высоты потенциального барьера, приводит к тому что увеличивается число основных носителей заряда через р-n-переход, тоесть увеличивается диффузионный ток. Даже небольшое напряжение ,приложенное к р-n-переходу вызывает большой ток ,так как потенциальный барьер невелик (0.35 В для германия ;0.6 В для кремния). В результате действия внешнего поля, в прямом направлении в область р-n-перехода происходит перераспределение концентрации носителей зарядов, дырки р-области и электроны n-области диффундируют в глубь р-n-перехода и рекомбинируют там. Ширина перехода при этом уменьшается, вследствие чего снижается сопротивление запирающего слоя.

7. Обратное включение p-n перехода.

Электрическое поле источника напряженностью E_u, направлено в ту же сторону, что и контактное поле p-n-перехода, напряженностью E. Поэтому напряженность результирующего поля в переходе равна: E_обр=E+E_u

Увеличение напряжения электрического поля в p-n-переходе повышает потенциальный барьер, назначение обратного напряжения источника. Это в свою очередь приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, т.е. к снижению диффузионного тока.

8. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

З ависимость тока через p-n-переход, от приложенного к нему напряжения I=f(U), называется вольт-амперной характеристикой p-n-перехода.

Семейство вольт-амперных характеристик:

Обратный ток, обычно, на несколько порядков меньше прямого, поэтому p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости. При повышении температуры, прямой ток через p-n-переход, увеличивается, но так как он зависит от концентрации основных носителей заряда, которое растет незначительно, то это увеличение незначительно. На обратный ток повышение температуры влияет существенно, поскольку он зависит от концентрации неосновных носителей заряда, которое при повышении температуры экспотенциально возрастает.

9. Пробой p-n перехода.

Резкое возрастание обратного тока, возникающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения называется пробоем р-n-перехода.

Инжекция - (впрыскивание) при прямом смещении потенциальный барьер понижается ,и через него основные носители заряда перемещаются в смежную область, где они являются неосновными.

Экстракция - под действием поля р-n-перехода не основные для данной области носители заряда, перемещаются через р-n-переход в соседнюю область. Процесс выведения неосновных носителей заряда, через переход, под воздействием поля этого перехода при подключении р-n-перехода к источнику внешнего напряжения, это называется экстракцией (извлечение).

Эмиттер - область, из которой инжектируются носители заряда (низкоомная область).

База - область, в которую инжектируются носители заряда, и где они являются неосновными (высокоомная область).

В полупроводниках из-за различной концентрации примесей, различная концентрация носителей заряда. Отсюда различают низкоомную и высокоомную области. Как правило, преобладает инжекция из низкоомной области называемая эмиттером, а высокоомная - базой.

Пробой может быть:

-электрическим - при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность.

-тепловым - при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника.

Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе.

Существует 2 типа электрического пробоя:

1)Туннельный пробой - наблюдается в полупроводниках с узким р-n-переходом (обеспечивается высокой концентрацией примеси), он связан с туннельным эффектом, это когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затрат энергии (туннелировать через р-n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении в несколько Вольт (до 10 В).

2)Лавинный пробой - наблюдается в полупроводниках с широким р-n-переходом. В сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n- перехода. Носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию (в том случае если потенциальная энергия переходит в кинетическую), достаточную для того чтобы при столкновении с атомами кристаллической решетки полупроводника, выбить из ковалентной связи электроны. Образовавшаяся при этом пара электрон-дырка тоже принимает участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному увеличению обратного тока. Напряжение лавинного пробоя десятки и сотни Вольт

Тепловой пробой возникает тогда когда мощность, выделяемая в р-n-переходе, при прохождении через него обратного тока, превышает ту которую он может рассеять. Происходит значительный перегрев перехода, обратный ток, являющийся тепловым, резко возрастает, что приводит к еще большему перегреву перехода, происходит лавинообразное увеличение тока, в результате возникает тепловой пробой р-n-перехода.

10. Выпрямительные диоды, структура, классификация.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами, к которым присоединяются два выхода.

p-n переход

О мическими контактами – называется контакт металла с полупроводником не обладающий выпрямляющими свойствами.

• обозначение диода на принциповой схеме.

Электрический переход образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводимости.

Низкоомная область – эмиттер.

Высокоомная область – база.

Диоды классифицируются

1. По основному полупроводниковому материалу:

- кремневые

- германиевые

- арсенид галлиевые

По физической природе процесса:

- туннельные диоды

- фотодиоды

- светодиоды

и тд.

2. По назначению:

- выпрямительные

- импульсивные

- варикапы

- стабилитроны

3. По технологии изготовления электрического перехода:

- сплавные

- диффузионные

4. По типу электрического перехода:

- точечные

- плоскостные

11. Точечные диоды.

Имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры площади меньше p-n перехода, благодаря этому их ёмкость очень мала и составляет доли пФ. Применяют их для выпрямления тока высокой частоты и в импульсных схемах, всё это при очень малых токах из-за небольшой площади (токи 10-20 мА).

12. Плоскостные диоды.

Имеют плоский электрический переход. Линейные размеры его значительно больше ширины p-n перехода (до нескольких десятков кв.см). Из-за большой барьерной емкости p-n перехода эти диоды применяются на частотах до 10 кГц. Они бывают:

- средней мощности до 1А и до 600 В;

-большой мощности до 2000 А.

13. Восстановление обратного сопротивления диода, временная диаграмма.

Время восстановления обратного сопротивления базы диода — это переходный процесс, возникающий при переключении диода из проводящего состояния (прямого) в закрытое. Процесс обратного восстановления (ОВ) в большей степени характерен диодам на p-n переходе, в отличие от Шоттки. Процесс ОВ сопротивления возникает вследствие накопления неосновных носителей в обеих областях диода — базе и эмиттере при прямом протекании тока через диод (плюс приложен к аноду (p-область), минус к катоду (n-область)). В базе (катоде, n-область) накапливаются дырки, в эмиттере (аноде, p-область) накапливаются электроны. После смены полярности напряжения на обратное (плюс на катоде, минус на аноде), накопленные неосновные носители в областях диода начинают двигаться навстречу, создавая короткий импульс (выброс) обратного тока. Короткий импульс тока образуется вследствие малого кол-ва накопленных неосновных носителей (зависит от паразитной ёмкости перехода и силы протекавшего тока).

Процесс ОВ у диодов Шоттки. Теоретически у диода Шоттки (ДШ, переход металл-полупроводник, омический контакт — выпрямляющий контакт) время ОВ равно нулю, так как неосновные носители, накапливаемые в базе (катоде) диода не могут существовать, поскольку в металле (базе ДШ) существуют только основные носители — электроны.

14. Кремниевые стабилитроны.

Принцип роботы этих диодов основан на том, что при обратном напряжении на р-n-переходе, в области электрического пробоя, напряжение на нем изменяется незначительно, при значительном изменении тока.

Условное обозначение:

Вольт-амперная характеристика

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения ,и используются в параметрических стабилизаторах, в качестве источника опорных напряжений ,в схемах ограничения Дьюдеса. Напряжение стабилизации (пробойное напряжение) является для этих диодов рабочим.

Схема простейшего параметрического стабилизатора.

R_б - балластное

R_н - нагрузки

Напряжение на R_н, не может превысить напряжение пробоя стабилитрона, так как он подключен к нему параллельно. Избыток напряжения гасится на резисторе R_б

_. Основные параметры стабилитрона.

Напряжение стабилизации: от3 до 400 В.

Максимальный ток от десятков до сотен мА

Дифференциальное сопротивление: rэ=Uст/Iст

15. Фотодиоды, принцип работы.

Фотодиод - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов. Принцип работы При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

16. Фотогенераторный и фотопреобразовательный режимы работы фотодиодов.

Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.

17. Фотореле, принцип работы

Фотореле – это автоматическое включение/выключение осветительных приборов. Работа фотореле основана на показателях уровня естественной освещенности. По сути, работа главного элемента фотореле заключается именно в том, чтобы зафиксировать и определить уровень естественной освещенности (в Люксах). Если это значение соответствует порогу срабатывания, то фотореле автоматически включает/выключает освещение.

18. Фоторезистор и его характеристики.

Фоторезисторы — это дискретные светочувствительные резисторы, принцип действия которых основан на явлении фотопроводимости, т. е. на изменении проводимости полупроводникового материала под действием светового излучения. При воздействии на полупроводник электромагнитного излучения светового диапазона часть электронов материала приобретает энергию, достаточную для разрыва их связи с атомами. Это явление генерации свободных носителей заряда обусловливает увеличение проводимости полупроводника.

Возбужденные излучением электроны через некоторое время снова теряют избыток энергии и возвращаются в валентную зону. Среднее время пребывания электрона в роли свободного носителя заряда называют временем жизни, а процесс его возвращения на валентный уровень — рекомбинацией. При непрерывном воздействии излучения в материале устанавливается динамическое равновесие, при котором число генерируемых свободных электронов равно числу рекомбинирующих.

Фоторезисторы могут быть чувствительны к электромагнитному излучению в широком интервале длины волны (от ультрафиолетового до инфракрасного) .

Полупроводниковые фоторезисторы предназначены для работы в цепях постоянного и переменного токов радиоэлектронной аппаратуры. Технические условия допускают работу фоторезисторов и в импульсном режиме, при условии непревышения десятикратной максимальной мощности рассеяния фоторезистора в импульсе, при средней мощности, не превышающей допустимого значения.

19. Устройство биполярных транзисторов.

1.Транзистор биполярный - полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда.

2. Транзистором называется электропреобразовательный прибор с несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности, имеющий три или более вывода.

Такая структура, как расположена здесь, с таким расположением полупроводниковых материалов называется р-n-p типа или структура прямой проводимости. Если полупроводники поменять местами, то такой тип транзистора будет называться транзистором обратной проводимости или n-p-n типа.

Электрический переход между базой и эмиттером называется эмиттерным переходом.

Переход между базой и коллектором называется коллекторным переходом.

20. Принцип работы транзистора.

Для нормальной работы любого транзистора необходимо подать на его электроды начальное смещение так, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом, а коллекторный в обратном направлении.

Падение напряжения на эмиттерном переходе составляет несколько десятых долей вольта, а на коллекторном - единицы или десятки вольта.

Вольт- амперная характеристика эмиттерного перехода.

Вольт- амперная характеристика коллекторного перехода

Ек

Совмещенная вольт-амперная характеристика

21. Схемы включения транзистора.

Различают три возможные схемы включения транзистора:

1. С общей базой (ОБ)

2 .С общим эмиттером (ОЭ)

3 . С общим коллектором (ОК)

Uвых

ОБ ОЭ

ОК

Такие названия объясняются тем, какой из электродов транзистора является общий для входной и выходной цепи. Рассматриваем схему ОБ: ток проходящий через источник входного сигнала называется входным током, следовательно, для схемы ОБ:

I_ВХ=Iэ.

Выходным током этой схемы является I_ВЫХ = I_К

Если под воздействием U_ВЫХ ток эмиттера возрастает на некоторую величину I_Э, то соответственно возрастут другие токи транзистора.

I_Э+I_Э=I_К+I_К+I_Б+I_Б.

Не зависимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока, который представляет собой отношение прямого тока к вызвавшему его приращению входного тока.

=I_ВЫХ / I_ВХ=I_К / I_Э.

Обозначается буквой  и называется коэффициент передачи тока эмиттера для схемы ОБ. Схема ОБ имеет малое входное сопротивление.

R_ВХ= U_ВХ / I_ВХ.

22. Статические характеристики транзистора.