Метрология. все ответы к теории-1. На входе линии связи называют входным сигналом, или воздействием, а сигнал
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
2. Р переход. Создание, образование, параметры, режимы работы, ВАХ. Свойства p-n перехода и их использование в полупроводниковых приборах. Электронно дырочный или p-n переход - возникает на границе между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости. Наиболее распространены два способа получения p-n перехода. а) Метод сплавления. б) Диффузионный метод. Образование p-n перехода. p-n переход в равновесном состояние Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. В р-области имеются два вида основных носителей заряда неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси (-) и свободные положительно заряженные дырки а в области имеются также два вида основных носителей заряда неподвижные положительно заряженные ионы атомов акцепторной примеси (+) и свободные отрицательно заряженные электроны. До соприкосновения p и n областей электроны дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p и n областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. Под действием диффузии электроны из n области переходит в p и рекомбинирует там с дырками. Дырки из р области переходят в область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в прграничной области их концентрация убывает почти до нуля ив тоже время в р области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает разность контактная разность потенциалов к и электрическое поле Е к , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р и n областей через р переход. Таким образом область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р переходом. переход характеризуется двумя основными параметрами 1. высота потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов к. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Ширина p-n- перехода – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях l p-n = l p + l n : ВАХ р перехода Это зависимость тока через р переход от напряжения на нём i=f(u). Аналитически, при прямом и обратном смещении ВАХ записывают в виде если о обр U если e T U I о пр Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков. График вольт амперной характеристики приведен на рис. . Для наглядности прямая и обратная ветви показаны в разных масштабах, например, потоку масштабы отличаются в тысячу раз. Главное свойство p-n перехода – это его односторонняя проводимость, те. способность пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать в обратном. Если прямую и обратную ветвь построить водном масштабе, то ВАХ p-n перехода имеет вид, как показано на рис. . Из рисунка четко видно, что p-n переход обладает односторонней проводимостью, те. I пр >>I обр или R пр < Дифференциальное сопротивление p-n перехода при прямом смещении определяется из соотношения r диф = т. Так, например, при мА и т =25мВ r диф =25Ом. Свойства p-n перехода и их использование в полупроводниковых приборах. Свойства р-п-перехода 1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси 2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый ток неосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным. 3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда. переход пропускает электрический ток только водном направлении свойство односторонней проводимости. Полупроводниковые диоды. Основные параметры и эквивалентные схемы. Влияние температуры на характеристики и параметры диода Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами. Большинство диодов изготовлены на основе несимметричных p-n- переходов. В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делятся выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, варикапы, тунельные и обращенные, а также СВЧ-диоды и др. 2.1. Вольт-амперная характеристика диода. В реальном диоде прямая (кривая 1) и обратная ветви вольт амперной характеристики (ВАХ) отличаются от ВАХ перехода (рис. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы r б и эмиттера r э диода (рис, обычно r б э. Падение напряжения на обьемном сопротивлении оттока диода, становятся существенным притоках, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате напряжение непосредственно нар- переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Это приводит к смещению прямой ветви ВАХ вправо (кривая 2) и почти линейной зависимости от приложенного напряжения. ВАХ диода с учетом обьемного сопротивления записывается выражением 1 T φ 0 б Ir U e I I ,где пр напряжение, приложенное к выводам r— суммарное сопротивление базы и электродов диода, обычно r=r б Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, те. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется тем, что обратный ток диода состоит из трех составляющих I обр =I 0 + I тг + I ут где I 0 – тепловой ток перехода I тг – ток термогенерации. Он возрастает с увеличением обратного напряжения. Это связано стем, что p-n перехода расширяется, а следовательно увеличивается количество неосновных носителей, образующихся в нем за счёт термогенерации. Ток термогенерации дает основной вклад в обратный ток диода. Он на 4-5 порядка больше тока I 0 I ут – ток утечки. Он связан конечной величиной проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. В современных диодах он всегда меньше термотока. 2.2 Эквивалентная схема диода. Это схема, состоит из электрических элементов, которые учитывают физические процессы, происходящие в p-n переходе, и влияние элементов конструкции на электрические свойства Эквивалентная схема замещения p-n переходеа при малых сигналах, когда можно не учитывать нелинейных свойств диода приведена на рис. Здесь С д — общая емкость диода, зависящая от режима п = R диф — дифференциальное сопротивление перехода, значение которого определяют с помощью статической ВАХ диода в заданной рабочей точки (R диф = U/ I| U=const ); б — распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов, R ут – сопротивление утечки. Иногда схему замещения дополняют емкостью между выводами диода СВ, емкостями С вх и С вых (показаны пунктиром) и индуктивностью выводов L В. Эквивалентная схема при больших сигналах аналогична предыдущей. Однако в ней учитываются нелинейные свойства р- перехода путем замены дифференциального сопротивления R диф на источник зависимый источник тока I = I 0 (e U/ T – 1). 2.3 Влияние температуры на ВАХ диода. Температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, таки обратной ветви ВАХ. При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих о и Iтг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых ив раза у кремниевых диодов на каждые 10 С. Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 С для германиевых диодов и 150 — 200 С для кремниевых. Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ. Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) т, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 С при фиксированном прямом токе. 4. Выпрямительные диоды. Основные параметры и применение. Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации. Среднее прямое напряжение U пр. ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока. Средний обратный ток I обр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении. Максимально допустимое обратное напряжение U обр. ах (U обр. и ах) - наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать. Максимально допустимый выпрямленный ток I вп. ср mаах — средний за период ток через диод (постоянная составляющая, при котором обеспечивается его надежная длительная работа. Максимальная частота f мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины. Средняя рассеиваемая мощность диода Р ср Д – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении. Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода. Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов, можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов. Однополупериодный выпрямитель. Трансформатор служит для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод. Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя. 5. Импульсные диоды. Диоды Шоттки. Основные параметры и применение. Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R vd =0. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является а) ёмкость диода. б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда. В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n- перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (прям. Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют также и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся 1) Время установления прямого напряжения на диоде (уст ): уст – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшении сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода) Время восстановления обратного сопротивления диода (t восст. ): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока. t восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I 0 , обычно 10% от максимального обратного тока. t восст. = t 1. + t 2. t 1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п- перехода обращается в ноль. t 2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода. В целом время восстановления — это время выключения диода, как ключа Диоды Шотки. Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В. Это связано стем, что тепловой ток примерно натри порядка превышает ток р-п- перехода. В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения. 6. Стабилитроны и стабисторы. ВАХ, параметры и применение. Стабилитрон – это полупроводниковый диод, изготовленный из слаболегированного кремния, который применяется для стабилизации постоянного напряжения. ВАХ стабилитрона при обратном смещении имеет участок малой зависимости напряжения оттока, протекающего через него. Стабилитрон характеризуется следующими параметрами Номинальное напряжение стабилизации ст. ном — номинальное напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации номинальный ток стабилизации I ст.ном – ток через стабилитрон при номинальном напряжении стабилизации минимальный ток стабилизации ст min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив максимально допустимый ток стабилизации ст max — наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы. Дифференциальное сопротивление г ст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации г ст ст ст. ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации % 100 ТКН ст.ном. ст.ном. T U U , T U U ст.ном. ст.ном. – относительное изменение напряжения на стабилитроне приведённое к одному градусу U ст.ном. < В – при туннельном пробое. U ст.ном. > В – при лавинном пробое К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимый импульсный ток при max, максимально допустимую рассеиваемую мощность Р max. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д. Стабисторы – это полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. В таких диодах база сильно легирована примесями (r б, а потому их прямая ветвь практически идет вертикально. Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона. Они применяются для стабилизации малых напряжений (U ст.ном. В. ), ток стабисторов – от мА до нескольких десятков мА и отрицательный ТКН. 7. Варикапы. Параметры и применение. Туннельные и обращенные диоды. ВАХ, параметры и применение. Варикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения Условное обозначение варикапа и график зависимости С приведены на рис. . Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором. К основным параметрам варикапа относят 1. Общая емкость варикапа Св – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении 2. коэффициент перекрытия по емкости Кп Св Св min— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения 3. добротность варикапа Q=Хс/rп где Xc – реактивное сопротивление варикапа п – сопротивление активных потерь 4. обратный ток варикапа 1обр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении. К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение U обр ахи максимально допустимую рассеиваемую мощность Р mах Варикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на риск- катушка индуктивности контура и C( U ) ) ( 1 0 U LC – емкость контура - ёмкость варикапа - резонансная частота колебательного контура С р и р – разделительные конденсатор и катушка индуктивности. С р - устраняет шунтирования варикапа индуктивностью по постоянному току С р >>C к , р- устраняет шунтирование колебательного контура попеременному сигналу R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения на варикапе. Недостатком такой схемы является то, что емкость варикапа зависит не только от управляющего напряжения U, но и зависит от амплитуды высокочастотного напряжением на контуре. |