Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Osnov elektron 2010 А5 скорочений - копия.doc
Скачиваний:
45
Добавлен:
22.09.2019
Размер:
2.08 Mб
Скачать

1.2 Активні елементи засобів вимірювань

Фізичні основи роботи напівпровідників

У природі всі речовини за властивостями можуть бути розділені на 3 основні групи: провідники, напівпровідники та діелектрики. Висока концентрація електронів в металах забезпечує їх хорошу провідність і, практично, не залежить від температури. Навіть при найнижчих температурах в металах існує велика кількість рухомих електронів. З підвищенням температури рухомість електронів зменшується, а питомий опір металу зростає.

У напівпровідникових матеріалів механізм електропровідності дещо інший. Для них характерною є кристалічна будова, тобто закономірне і впорядковане розміщення їх атомів у просторі. У кристалах напівпровідника атоми, які пов’язані між собою розміщуються у строгій послідовності і на однакових відстанях один відносно одного. В результаті цього утворюється так звана кристалічна градка твердого тіла.

Між атомами кристалічної градки існують зв’язки, що утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атому, але й з ядрами сусідніх. В кожному атомі напівпровідника існує три типи зон: дозволені, заборонені і провідності.

В дозволених зонах електрони перебувають близько біля ядра атома, їхня енергія є незначною, а кількість залишається незмінною внаслідок того, що вони не можуть перейти через заборонені зони. Зони провідності мають валентні електрони, які знаходяться на зовнішніх орбітах атома, мають велику енергію і приймають участь у створенні міжатомних зв’язків.

При низьких температурах всі валентні електрони зайняті в міжатомних зв’язках і, оскільки немає вільних електронів, то струм у кристалі напівпровідника не протікає.

З підвищенням температури енергія електронів збільшується і деякі валентні зв’язки розриваються, в результаті чого виникають вільні електрони, які створюють електронну провідність. З подальшим підвищенням температури кількість вільних електронів швидко зростає. Але поки відсутня дія зовнішнього електричного поля, то електрони внаслідок теплового руху переміщуються у кристалі хаотично. При цьому струм у напівпровіднику не виникає.

Якщо ж на кристал напівпровідника діє зовнішнє електричне поле, то рух електронів становиться впорядкованим. Оскільки електрони покинули зону провідності, то їхнє місце займають електрони з дозволеної зони, яка знаходиться ближче до ядра атома, а місця цих електронів займають дірки. Внаслідок цього дозволена зона стає зоною провідності. У напівпровіднику виникають два типи провідності: електронна і діркова, в результаті чого у кристалі виникає електричний струм.

Характерною особливістю напівпровідників є зменшення їх опору при підвищенні температури.

Електричні властивості напівпровідників залежать також від наявності домішок. Одні домішки, як правило, збільшують електронну провідність (донорні), а інші – діркову (акцепторні). Внаслідок цього за допомогою введення домішок можна регулювати механізм електропровідності напівпровідника. [3, 4].

Напівпровідникові пристрої

До активних елементів радіоапаратури відносяться пристрої, здатні змінювати свої характеристики під дією електричного поля сигналу, або додаткового джерела живлення. Любий активний елемент містить один або декілька р-n-переходів, побудованих на основі напівпровідників з різними типами провідності – дірковою – р та електронною – n [3 - 5]. У р-n-переході існує потенціальний бар’єр, який запобігає переміщенню основних носіїв зарядів (електронів та дірок) при відсутності електричного поля.

Розглянемо два випадки подачі зовнішнього електричного поля на р-n-перехід. Спочатку розглянемо випадок, коли напруга зовнішнього електричного поля є протилежною за знаком до контактної різниці потенціалів р-n-переходу. У цьому випадку джерело енергії вмикається так, що поле, яке створюється зовнішньою напругою в р-n-переході, буде направлене на зустріч власному полю р-n-переходу. Таке ввімкнення називається прямим. Воно призводить до зниження висоти потенціального бар’єру. При цьому ширина р-n-переходу зменшується. Частина основних носіїв заряду, які мають найбільшу енергію, зможе перейти через низький потенціальний бар’єр і перейти через межу, що розділяє напівпровідник на області n та р – типів. Це призводить до порушення рівноваги між дрейфовими та дифузійними струмами. Дифузійна складова стає більшою за дрейфову і результуючий прямий струм через р-n-перехід стає більшим за нуль:

(1.9)

При поступовому збільшенні зовнішньої прямої напруги прямий струм через р-n-перехід може зрости до великих значень, оскільки він зумовлений, в основному, рухом основних носіїв, концентрація яких в обох областях р-n-переходу є великою.

Процес введення основних носіїв заряду з однієї області напівпровідника у іншу, де вони є неосновними через р-n-перехід при зниженні висоти потенціального бар’єру називається інжекцією.

Розглянемо тепер випадок, коли до р-n-переходу прикладена зворотна напруга від зовнішнього джерела. При цьому електричне поле, що створюється зовнішнім джерелом співпаде за знаком з полем р-n-переходу. Потенціальний бар’єр між р- і n- областю, при цьому, зростатиме. Кількість основних носіїв, які здатні пересилити дію результуючого електричного поля, зменшиться. Відповідно зменшиться і струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля від зовнішнього джерела, основні носії будуть відтягуватись від приконтактних шарів у глибину кожної області напівпровідника. У результаті цього ширина р-n-переходу збільшиться.

Для неосновних носіїв (дірок у n – області і електронів у р – області) потенціальний бар’єр у переході відсутній і вони будуть втягуватись полем у область р-n-переходу. Це явище називається екстракцією.

При зворотному включенні основну роль відіграє дрейфовий струм, який має незначну величину, оскільки створений рухом неосновних носіїв заряду. Цей струм називається зворотним:

(1.10)

Величина зворотного струму практично не залежить від зовнішньої зворотної напруги при сталій температурі.

Властивості напівпровідників в повній мірі використовуються активними елементами радіоапаратури – діодами та транзисторами

Діоди

Діод – це активний напівпровідниковий пристрій з одним випростовуючим р-n-переходом і двома зовнішніми виводами, у якому використовується та чи інша властивість переходу.

Як матеріал для виготовлення діодів використовується германій, кремній, арсенід галію, індій.

Діоди бувають: випростовувальні, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, варикапи, тунельні, світло – випромінюючі, світло – приймаючі та ін.

У залежності від способу виготовлення р-n-переходів напівпровідникові діоди поділяються на два типи: точкові та площинні.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів є їх вольт-амперна характеристика (ВАХ). ВАХ випростовувального діода наведена на рис. 1.4. В точці А ВАХ діода вважається, що він повністю відкритий.

Випростовувальні діоди призначені для випростовування змінних струмів в діапазоні низьких частот від 50 Гц до 50 кГц. Як випростовувальні використовуються площинні діоди, у яких завдяки великій площі контакту може протікати значний струм [4].

Рисунок 1.4 – ВАХ випростовувального діода

Параметри випростовувальних діодів

Основними параметрами випростовувальних діодів є:

- найбільший випростаний струм - найбільше допустиме середнє значення випростаного струму за період;

- пряме падіння напруги Uпр – падіння напруги на діоді при протіканні через нього встановленого значення струму;

- найбільша зворотна напруга Uзвор.макс – напруга, що може бути тривалий час прикладена до діода у зворотному напрямку без порушення його роботи;

- найбільший зворотний струм - струм через діод у зворотному напрямку при прикладенні до нього найбільшої зворотної напруги;

- діапазон частот f – смуга частот, у межах якої випростаний діодом струм не зменшується нижче за заданий рівень [1].

Інші типи діодів

Високочастотні діоди – це пристрої універсального призначення: для випростання струмів в широкому діапазоні частот (до 300 мГц ), для модуляції, детектування та інших нелінійних перетворень. Як високочастотні використовуються точкові діоди.

Імпульсні діоди призначені для перетворення імпульсних сигналів (генерації, змішування і т. ін.). В основному як імпульсні використовуються точкові діоди.

Стабілізатори напруги (стабілітрони) – це напівпровідникові діоди, які підтримують напругу на собі з певною точністю при протіканні через них струмів у заданому діапазоні. Робочим у стабілітронів є зворотна (пробійна) ділянка вольт – амперної характеристики (рис. 1.5).

Варикапи - це діоди, ємність переходу яких змінюється із зміною постійної напруги.

Тунельні діоди – це діоди з від’ємним опором на вольт– амперній характеристиці.

Світлодіоди – це світловипромінюючі напівпровідникові прилади з одним чи кількома р – n – переходами, які призначені для перетворення електричної енергії в світлову.

Позначення діодів наноситься на їхніх корпусах, або у супроводжуючій документації і складається з кількох елементів.

Перший елемент визначає матеріал, на основі якого виготовлено діод:

Г або 1 – германій,

К або 2 – кремній,

А або 3 – арсенад галію,

И або 4 - фосфад індію.

Другий елемент – буква, що визначає підклас приладів:

Д – діоди випростовувальні, імпульсні;

Ч – випростовувальні блоки;

В – варикапи;

И – тунельні діоди;

А – СВЧ – діоди;

С – стабілітрони;

Г – генератори шуму;

Л – світлодіоди;

О – оптопари;

Н – діодно тиристори;

У – тріодні тиристори.

Умовні графічні позначення діодів на електричних принципових схемах наведені на рис 1.6.

Рисунок 1.5 – ВАХ стабілітрона

Третій елемент – цифра, що визначає основні функціональні властивості приладу.

Приклад: третій елемент для випростовувальних діодів: (підклас Д):

1. Для діодів з середнім прямим струмом до 0,3А;

2. Для діодів з середнім прямим струмом від 0,3 до 10А.

Четвертий і п’ятий елементи – це порядковий номер розробки розбраковка за параметрами приладів [1, 4].

- діод випростовувальний, високочастотний, імпульсний,

- стабілітрон,

- варикап,

- світлодіод

Рисунок 1.6 – Умовні графічні позначення діодів

Транзистори

Транзистори поділяються на біполярні і польові.

Біполярний транзистор – це прилад з двома p – n – переходами і трьома (чотирма) виводами, який має здатність підсилювати напругу і струм при наявності джерела живлення. Особливостю транзистора є те, що його p – n – переходи взаємозв’язані: струм одного переходу може керувати струмом іншого.

Польовий транзистор – це прилад, підсилювальні властивості якого зумовлені потоком основних носіїв через провідний канал, що керується електричним полем.

Позначення, що наноситься на корпусах транзисторів, або у супроводжуючій документації складається з кількох елементів.

Перший елемент – визначає матеріал, на основі якого виготовлено транзистори:

Г або 1 – германій,

К або 2 – кремній,

А або 3 – арсенід галію,

И або 4 – фосфат індію.

Другий елемент – підклас приладу:

Т – транзистор біполярний,

П – транзистор польовий.

Третій елемент – цифра, що визначає функціональні можливості транзистора (табл.1.2).

Четвертий елемент – це порядковий номер розробки транзистора та його технологічного типу (цифри від 00 до 99).

П’ятий елемент – поділ технологічного типу транзистора за параметрами (букви від А до Я) [1, 2, 4].

Таблиця 1.2 – Функціональні можливості транзисторів

Потужність розсіювання, Вт

Позначення при граничній частоті передачі струму

до 3 Мгц (низько-частотні)

до 30 МГц

(середньо-частотні)

більше за 30 МГц

(високо-частотні)

До 0,3

(низька)

101…199

201…299

301…399

Від 0,3 до 1,5

(середня)

401 …499

501…599

601…699

Вище 1,5 (висока)

701…799

801…899

901…999

Основні параметри транзисторів

Основними параметрами біополярних (польових) транзисторів є :

- коефіцієнт передачі струму,

- постійна напруга колектор-емітер (стік – витік ),

- постійний струм колектора ( стока ),

- розсіювана потужність,

- крутизна характеристики.

Умовні графічні позначення транзисторів наведено на рис. 1.7.

Біполярний транзистор n – p – n – типу

Біполярний транзистор p – n – p – типу

Польовий транзистор з керуючим p – n –

переходом і n – каналом

Польовий транзистор з керуючим p – n –

переходом і p – каналом

Польовий транзистор з ізольованим

затвором збідненого типу з p - каналом

Польовий транзистор з ізольованим

затвором збідненого типу з n – каналом

Рисунок 1.7 - Умовні графічні позначення транзисторів на принципових електричних схемах електронної техніки

Коефіцієнт передачі струму – це відношення струму колектора до струму бази транзистора.

Постійна напруга колектор-емітер (стік-витік) – це максимальна напруга між колектором (стоком) і емітером (витоком) транзистора в закритому стані.

Постійний струм колектора (стока) – це максимальний струм транзистора у відкритому стані.

Розсіювана потужність – це найбільша потужність, що виділяється на транзисторі в динамічному режимі роботи.

Крутизна характеристики – це відношення зміни струму стока польового транзистора до зміни напруги на затворі.

Буквено-цифрове позначення транзисторів складається з великих літер ларинського алфавіту VТ та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі, наприклад, VТ1. Буквено-цифрове позначення діодів складається з великих літер ларинського алфавіту VD та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі, наприклад, VD5 [1, 4, 5].

Контрольні запитання до теми «ЕЛЕМЕНТНА БАЗА ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАНЬ»

1. Що таке резистор і як він працює?

2. Класифікація резисторів.

3. Основні характеристики резисторів.

4. Умовні позначення резисторів на електричних схемах.

5. Потужності розсіювання резисторів.

6. Паралельне та послідовне зєднання резисторів у схемах.

7. Позначення одиниць опору на корпусах резисторів.

8. Позначення потужностей резисторів.

9. Застосування резисторів у вимірювальних схемах.

10. Що є електричним конденсатором і як він працює?

11. Класифікація конденсаторів.

12. Основні параметри конденсаторів.

13. Умовні позначення конденсаторів на електричних схемах.

14. Робочі напруги конденсаторів.

15. Позначення одиниць ємност на корпусах конденсаторів.

16. Застосування конденсаторів у схемах вимірювальних приладів.

17. Принцип дії котушок індуктивності та дроселів.

18. Параметри та класифікація котушок індуктивності і дроселів.

19. Особливості конструкцій та розрахунку котушок індуктивності і дроселів.

20. Умовні позначення котушок індуктивності і дроселів на електричних принципових схемах.

21. Принцип дії та особливості роботи трансформаторів.

22. Основні характеристики трансформаторів та специфіка їх застосування.

23. Позначення трансформаторів на схемах.

24. Принципи дії напівпровідника, провідника, діелектрика.

25. Діоди. Область застосування та класифікація.

26. Основні параметри діодів.

27. Що таке вольт-амперана характеристика. Як вона будується.

28. Пояснити суть роботи стабілітрона на його ВАХ.

29. Позначення діодів та їх зображення на електричних схемах.

30. Принцип дії біполярного транзистора.

31. Принцип дії польового транзистора.

32. Параметри транзисторів.

33. Класифікація транзисторів.

34. Особливості застосування біполярних та польових транзисторів у схемах засобів вимірювань.

35. Чи впливають котушки індуктивності на роботу чутливих вузлів ЗВТ?

Польовий транзистор з ізольованим затвором збагаченого типу з p – каналом

Л Е К Ц І Я № 3

Т Е М А 2: ТРАНЗИСТОРИ

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]