1. Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики полупроводниковый диод
 Скачать 1.54 Mb.
|
|
1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл - полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода: В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики: 2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, ВАХ: Прямое и обратное включение: При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально. Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым. При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется. Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону. ВАХ:  На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»). Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода. Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки. Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода. График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении. График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях. В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды. Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию. 3. Полупроводниковые диоды, классификация по конструктивным особенностям и области применения: Классификация полупроводниковых диодов: По исходному полупроводниковому материалу диоды делятся на две основные группы: германиевые и кремниевые. Первые работают при температурах не выше +70°С, а вторые – до +125-150°С. По конструктивно-технологическому признаку также различают две разновидности диодов: точечные и плоскостные. У точечных диодов выпрямляющий контакт образуется в точке касания полупроводниковой пластинки острием металлической иглы, причем пропускное направление соответствует прохождению тока от иглы к пластинке. У плоскостных диодов выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с разными типами проводимости (дырочной p и электронной n) внутри монокристаллического объема полупроводника (p-n переход). Наиболее распространенными плоскостными диодами являются так называемые сплавные, у которых p-n переход образуется в результате рекристаллизации сплава исходного полупроводника с помещенной на его поверхности таблеткой примесного вещества. Сплавные диоды позволяют пропускать значительно большие токи и отличаются лучшим постоянством характеристик, но обладают повышенными емкостями, что ограничивает их применение на высоких частотах. Промежуточными свойствами обладают микросплавные диоды. Они изготавливаются путем электролитического осаждения тонкой пленки примесного вещества на поверхность монокристаллической пластинки исходного полупроводника и последующего вплавления этой примеси. Области применения: По областям применения различают диоды универсального назначения, силовые выпрямительные диоды, стабилизаторы напряжения («опорные» диоды) и ряд разновидностей диодов специализированного назначения (смесительные и модуляторные диоды, диоды для умножения частоты, для параметрических усилителей и др.). Выпускаются также высоковольтные выпрямительные столбы, состоящие из нескольких однотипных диодов, включенных последовательно. Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками) , не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. 4. Биполярные транзисторы, принцип действия: Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда. Принцип действия: Принцип работы похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки». Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы. 5. Биполярные транзисторы, распределение токов в кристалле: Свойства транзисторов и их характеристики в значительной мере определяются процессами переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору, которые в свою очередь, зависят от закона распределения примесей в базе. В равновесном состоянии во всех областях транзистора устанавливается концентрация носителей в соответствии с законом действующих масс np = n2i. Концентрация неосновных носителей каждой области определяют по степени её легирования. Обычно концентрация примесей в базовой области бездрейфового транзистора на два-три порядка меньше, чем в областях эмиттера и коллектора. Приложение напряжения смещения на p-n переход меняет концентрацию неосновных носителей заряда на границе соседних областей. Причем при прямом смещении концентрация неосновных носителей растёт, а при обратном - падает. Аналогично меняется концентрация основных носителей в областях транзисторов возле границы p-n переходов. В транзисторе возможны четыре комбинации знаков напряжения, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы (на диаграмме ниже). В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:
В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n переходы смещены в прямом направлении. Через оба перехода в базу инжектируются неосновные носители, концентрация которых значительно превышает равновесную. Это приводит к к интенсивной рекомбинации, которая вызывает поступление электронов в базу через внешний вывод. Характер распределения дырок в базе определяется напряжениями смещения p-n переходов. В режиме насыщения нет возможности управления токами транзистора. В активном нормальном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Через эмиттерный переход в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер - электроны. Далее под действием градиента концентрации диффузируют в сторону коллектора и частично рекомбинируют в базе. Достигши коллекторного перехода, дырки подхватываются его полем и перебрасываются в область коллектора, где движутся к омическому контакту и создают коллекторный ток. Одновременно из коллектора в базу дрейфуют электроны, где они частично компенсируют избыточный заряд дырок, а частично рекомбинируют. Количество электронов, которых не хватает для компенсации заряда дырок, поступают в базу от источника через базовый вывод. Следует отметить, что в ряде случаев, например, с уменьшением диффузии дырок, в базе появляется избыточный заряд электронов и они будут вытекать через внешний электрод. Электроны поступают или выбывают таким образом, что в базе всегда сохраняется электронейтральность. Уровень рекомбинации дырок определяется временем их пребывания в базе, то есть зависит от её длины. По этому для уменьшения уровня рекомбинации толщина базы должна быть значительно меньше чем диффузная длина дырок (WБ<< Lp). В инверсном режиме эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом. При этом роль инжекторного выполняет коллекторный переход, а собирательно - эмиттерный. Если площади эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (симметричные транзисторы), тогда нет никакого принципиального отличия в распределении избыточных носителей, который был в активном режиме. На практике, за исключением специальных случаев, площадь коллекторного перехода формируют больше чем площадь эмиттерного перехода (несимметричные транзисторы), что необходимо для эффективного собирания коллектором носителей, которые инжектируются эмиттером. По этому в инверсном режиме в таких транзисторах, кроме рекомбинации избыточных носителей в объеме базы, существенную роль играет и поверхностная рекомбинация, вследствие чего эффективность работы транзистора в инверсном режиме оказывается ниже, чем в активном. 6. Биполярные транзисторы, коэффициент инжекции, переноса, передачи тока: |