Полупроводниковыми приборами называются приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств pn-переходов.
1. Полупроводниковые резисторы
2. Полупроводниковые диоды
3. Биполярные транзисторы
4. Полевые транзисторы
5. Тиристоры
6. Полупроводниковые фотоэлектрические приборы.
7. Полупроводниковые микросхемы.
8. Комбинированные полупроводниковые приборы.
Полупроводниковые резисторы
Классификация:
1. Линейные резисторы
2. Варисторы
3. Терморезисторы (термисторы и позисторы)
4. Тензорезисторы
5. Фоторезисторы.
Линейные резисторы
Линейный резистор — полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия.
Используются в интегральных микросхемах.
Варисторы
Варистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.
Один из основных параметров варистора коэффициент нелинейности. 
, где U I Напряжения и ток варистора. Коэффициент нелинейности для различных типов варисторов лежит в пределах 2-6.
Терморезисторы (термисторы и позисторы)
Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.
Термистор — сопротивление с ростом температуры падает.
Позистор — сопротивление с ростом температуры растет.
Один из основных параметров терморезистора — температурный коэффициент сопротивления, который выражает процентное изменение сопротивления в зависимости от температуры.
Для термисторов K=-0.3 — -0.66. У позисторов температурный коэффициент положительный. Применяются в системах регулирования, тепловой защите.
Тензорезисторы
Тензорезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций. Важнейшей характеристикой является деформационная характеристика.
Основными параметрами является номинальное сопротивление R= 100-500 Ом и коэффициент тензочувствительности 
К=-150 — +150.
Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с одним pn-переходом. По конструкции классифицируются как плоскостные и точечные.
К точечным диодам относятся:
1. Выпрямительные.
2. СВЧ — диоды.
К плоскостным диодам относятся:
1. Выпрямительные
2. Стабилитроны
3. Туннельные диоды
4. Обращенные диоды
5. Варикапы.
6. Светодиоды
7. Фотодиоды
8. Фотоэлементы.
Выпрямительные диоды.
Это диоды предназначенные для выпрямления переменного тока. По мощности подразделяютя на маломощные, средней и большой мощности. Вольтамперная характеристика аналогична характеристике pn-перехода. Основные параметры:
— прямое напряжение, которое нормируется при определенном прямом токе.
— максимально допустимый прямой ток
— максимально допустимое обратное напряжение
— обратный ток, который нормируется при определенном обратном напряжении.
Для повышения обратного напряжения диоды включаются последовательно. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу. В диодных сборках используется параллельное, последовательное, мостовое и другие способы включения диодов.
Стабилитроны
Полупроводниковый диод, напряжение на котором в области пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона видна из его вольт — амперной характеристики.
При увеличении Iн Iс уменьшается, а напряжение остается постоянным за счет характеристики стабилитрона. Основными параметрами стабилитрона являются:
1. Напряжение на участке стабилизации Uст
2. Динамическое сопротивление на участке стабилизации 
3. Минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации.
Туннельный диод.
Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника. Из-за высокой концентрации примесей и малой ширины pn-перехода в области перехода появляются так называемые потенциальные ловушки, что приводит к образованию на вольтамперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением (т.е. при увеличении напряжения ток уменьшается).
Основными параметрами являются:
1. Ток пика Ip
2. Отношение тока пика к току впадины 
Обращенные диоды
— Разновидность туннельных диодов. Электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обладают вентильными свойствами при малых напряжениях в той области, где выпрямительные диоды вентильными свойствами не обладают. Туннельные диоды применяются в генераторах высокочастотных колебаний и в импульсных переключателях.
Варикап
Полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости pn-перехода от обратного напряжения. Варикап применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Используется в схемах управления, для автоматической подстройки частоты.
Основные параметры:
Общая емкость при небольшом обратном напряжении Uобр=2-5В и коэффициент перекрытия по емкости 
. Для большинства варикапов С=10-500 пФ и К=5-20.
В последнее время появилось еще два типа диодов — магнитодиод и тензодиод. Магнитодиод — полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля. Основным параметром является его чувствительность 
, где dU и dB приращение прямого напряжения и магнитной индукции. K=(10-50)*103 B/(Тл*мА)
Тензодиод -полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций. В качестве тензодиодов обычно применяются туннельные диоды у которых отдельные участки в/а характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.
Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.
Классификация:
По типу:
1. p-n-p-тип
2. n-p-n-тип
По частоте:
1. низкочастотные f < 3 Мгц
2. среднечастотные 3 МГц < fгр < 30 Мгц
3. высокочастотные 30М Гц < fгр < 300 Мгц
4. сверхвысокочастотные fгр > 300 Мгц
По мощности:
1. малой мощности Рmax < 0.3 Вт
2. средней мощности 0.3 Вт < Рmax < 1.5 Bт
3. большой мощности Рmax > 1.5 Bт
В биполярных транзисторах ток определяется носителями зарядов двух типов: электронов и дырок (отсюда и название биполярный) Транзистор имеет три вывода которые называют база, эмиттер, коллектор. В зависимости от проводимости транзисторы подразделяют на транзисторы прямой проводимости p-n-p и транзисторы обратной проводимости n-p-n. В зависимости от полярности прикладываемых напряжений транзистор может работать в одном из трех режимов:
1. Режим отсечки. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором обратные.
2. Режим насыщения. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором прямые.
3. Активный режим. Напряжение между эмиттером и базой прямое, а между эмиттером и коллектором обратное.
Рассмотрим работу транзистора в активном режиме.
При действии прямого напряжения Еб эмиттерный переход смещается в прямом направлении (ширина перехода уменьшается) и дырки свободно проходят через pn переход в область базы. База очень тонкая, поэтому основная масса дырок перемещается к коллекторному переходу и лишь незначительная часть рекомбинирует с электронами базы, образуя ток базы Iб. Изменением тока базы можно изменять напряжение на эмиттерном переходе (изменять ширину, а следовательно сопротивление перехода) и таким образом управлять током между эмиттером и коллектором. Следовательно, особенность транзистора состоит в том, что между его электронно дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого перехода. В этом состоит усилительное свойство транзистора — незначительное изменение тока базы Iб влечет значительное изменение тока коллектора Iк. Уравнение связи токов в транзисторе имеет вид: Iэ=Iб+Ik+Iко, где Iко — обратный коллекторный ток. Связь между приращением эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока: 
Схемы включения транзистора.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ — Студопедия
Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники. Для проводников характерна проводимость 102-108 См/см3 (См – сименс = 1/Ом), для диэлектриков – 10-10 См/см3 и меньше. Промежуток от 10-10 до 102 См/см3 занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.
Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.
К полупроводниковым приборам можно отнести:
— выпрямительные диоды
— ВЧ- и СВЧ-диоды
— стабилитроны или опорные диоды
— туннельные диоды
— варикапы
— тиристоры
— биполярные и полевые транзисторы и др.
Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.
Как вы знаете, полупроводник имеет объемную решетку. Мы рассмотрим для простоты плоскую решетку. Атомы кремния связаны между собой ковалентной связью. При температуре 0оК все полупроводники являются идеальными изоляторами, потому что в их структуре отсутствуют свободные электроны.
Под действием внешних факторов (изменение температуры, радиации, светового излучения и т.п.) кристаллическая структура получает внешнюю энергию, что может привести к разрыву ковалентной связи и в структуре появится свободный электрон, т.е. сопротивление полупроводника уменьшится.
Полупроводник можно представить в виде энергетических уровней (валентная зона, запрещенная зона, зона проводимости). Здесь DW – ширина запрещенной зоны, потенциальный барьер, который электрон должен преодолеть, чтобы перейти в зону проводимости. Для наиболее распространенных полупроводников DW = 0,1-3 эВ, а у диэлектриков – 6 эВ. Для германия DW = 0,72 эВ, для кремния DW = 1,12 эВ.
На месте разрыва связи появляется дырка, которая имеет ту же величину заряда, что и электрон, но с противоположным знаком. В идеальном полупроводнике концентрация электронов и дырок одинакова. Если nn – концентрация электронов, а np – концентрация дырок, то для идеального полупроводника nn= np – это собственная проводимость полупроводника.
В реальных полупроводниковых приборах используют примесные полупроводники. Если в полупроводник в качестве примеси ввести 5-ти валентный элемент, то данный полупроводник будет полупроводником с электронной проводимостью или n-типа, а примесь называется донорной примесью. При этом концентрация электронов Nn будет много больше концентрации дырок Np, т.е. Nn>> Np. Таким образом электроны будут являться основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Если в полупроводник в качестве примеси ввести 3-х валентныый элемент, то в валентной зоне появятся свободные дырки. В этом случае концентрация дырок будет много больше концентрации электронов Np>> Nn — это полупроводник с дырочной проводимостью или р-типа, а примесь называется акцепторной. Здесь основными носителями заряда являются дырки.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
При контакте двух полупроводников с различным типом проводимости в результате диффузии электроны переходят в р-слой, а дырки наоборот в n-слой. На границе контакта двух полупроводников в результате рекомбинации образуется область неподвижных пространственных зарядов (ионов), которые создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу основных носителей заряда. р-n-переход это область обедненная носителями заряда и, следовательно, она имеет повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.
 |
р-n-переход характеризуется следующими параметрами:
 |
Различают также две емкости р-n-перехода:
Отсюда очевидно, что свойства р-n-перехода зависят от частоты напряжения, приложенного к р-n-переходу.
Вольтамперная характеристика р-n-перехода выглядит следующим образом:
 |
Где Io – обратный ток р-n-перехода (тепловой ток). Ток p-n-перехода в прямом направлении определяется по формуле:
jT – температурный потенциал
Из вольтамперной характеристики очевидно, что р-n-переход хорошо проводит в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. обладает вентильными свойствами. Вольтамперная характеристика – нелинейна, это означает, что при прохождении переменных сигналов через р-n-переход осуществляется трансформация спектра сигнала.
На обратной ветви вольтамперной пунктиром показано резкое увеличение тока, т.е. происходит пробой р-n-перехода.
Электрический пробой – это обратимый пробой, который используется для получения специальных приборов – стабилитронов. К электрическому пробою относятся – туннельный, лавинный и поверхностный.
Туннельный пробой – это когда при увеличении обратного напряжения Uобр происходит резкое искривление энергетических зон. При этом уровень валентной зоны полупроводника n-типа оказывается на уровне зоны проводимости полупроводника р-типа, т.е. появляется туннель для зарядов, что приводит к резкому увеличению тока.
Лавинный пробой возникает при больших напряжениях р-n-перехода, чем туннельный пробой, в результате чего в р-n-переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что также приводит к резкому увеличению тока.
Тепловой пробой – необратим.
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА
р-n-ПЕРЕХОДА
r – дифференциальное сопротивление
Обычно эквивалентную схему используют для переменных сигналов и, поэтому используют дифференциальные параметры.
Rк – сопротивление контактов и выводов
r – сопротивление р-n-перехода в прямом или обратном включении
C – это диффузионная емкость при прямом включении или барьерная емкость при обратном включении р-n-перехода.
Из схемы следует, что при большой частоте сигнала вентильные свойства р-n-перехода ухудшаются.
ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ р-n-ПЕРЕХОДА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Параметры сильно зависят от температуры внешней среды. При увеличении температуры окружающей среды возрастают как прямой, так и обратный токи. Особенно сильно изменяются обратные параметры, например rобр резко уменьшается, что может уменьшить напряжение пробоя Uпробоя. Повышение температуры усиливает генерацию неосновных носителей заряда и, следовательно, резко увеличивает их концентрацию в полупроводнике. Это является существенным недостатком р-n-перехода и всех полупроводниковых приборов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, свойства которого зависят от свойств и характеристик р-n-перехода. Различают диоды по частотному диапазону и по мощности рассеяния.
По частоте преобразования различают низкочастотные (НЧ) диоды (выпрямительные и силовые), высокочастотные (ВЧ) диоды и импульсные диоды.
К специальным диодам относятся – стабилитроны, стабисторы, варикапы и туннельные диоды.
По мощности рассеяния различают маломощные диоды ( до 0,25 Вт), средней мощности (от 0,25 до 1 Вт) и большой мощности (свыше 1 Вт).
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Рассмотрим выпрямительный диод. Здесь под эмиттером понимают область с высокой концентрацией носителей заряда, а база – это область с низкой концентрацией заряда, т.е. база высокоомна.
На рисунке вольтамперной характеристики пунктиром обозначен идеальный р-n-переход.
DUб – это падение напряжения на высокоомной базе.
У реальных полупроводниковых приборов вольтамперная характеристика смещена вправо. Выпрямительные диоды также характеризуются дифференциальными параметрами: rпр, rобр, Сдиф, Сбар.
У выпрямительных диодов емкость обычно лежит в пределах С = (10 – 100 ) пФ. Емкость зависит от площади р-n-перехода.
Для характеристики выпрямительных диодов вводят параметры:
Iпр.max – прямой максимальный ток,
Uобр.доп. – допустимое обратное напряжение, при котором еще нет теплового пробоя.
Также как у р-n-перехода параметры и характеристики выпрямительного диода сильно зависят от температуры.
Пример применения выпрямительного диода – однополупериодный выпрямитель. Где среднее значение тока выпрямителя равно:
 |
Если входное напряжение имеет вид:
 |
то и входной ток будет иметь синусоидальный характер тогда
 |
Параллельно нагрузке обычно включают емкость, которая сглаживает импульсы тока.
СТАБИЛИТРОН (ОПОРНЫЙ ДИОД)
Выпрямительные диоды способны выпрямлять ток от единиц мА до 1000А при напряжении от единиц вольт до 1000 В. Для больших токов и напряжений используют диодные сборки.
Стабилитроны служат для стабилизации постоянного напряжения. Рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона является обратная ветвь. Она имеет три характерных участка. Участок I – это обычный обратный ток реального диода – тепловой ток или ток генерации. Участок II – участок электрического пробоя – туннельного 1 или лавинного 2 характера, именно этот участок вольтамперной характеристики является рабочим участком стабилитрона. На участке III происходит тепловой пробой.
При увеличении обратного напряжения растет ток через диод, а также мощность выделяемая в p-n-переходе, что приводи к росту температуры p-n-перехода. Повышение температуры диода усиливает генерацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь увеличивает обратный ток. Таким образом температура повышается еще больше, что приводит к разрушению p-n-перехода.
Imin – выбирают в начальный момент пробоя.
 |
Imax – определяют из допустимой мощности рассеяния.
Рабочая точка стабилитрона обычно выбирается посредине рабочей ветви стабилитрона. При уменьшении тока рабочая точка сдвигается в область, где дифференциальное сопротивление стабилитрона увеличивается, что приводит к ухудшению стабилизации. При значительном изменении тока стабилизации напряжение стабилизации Uст изменяется мало.
Основными параметрами стабилитрона (номинальные значения) являются – Uст – напряжение стабилизации, Iст – ток стабилизации и rдиф – дифференциальное сопротивление.
Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем более качественный стабилитрон. У реальных стабилитронов сопротивление стабилизации лежит в пределах 1 – 100 Ом.
 |
При повышении температуры обратный ток диода увеличивается и вольтамперная характеристика стабилитрона сдвигается влево, в сторону больших обратных значений напряжения. Поэтому для стабилитронов очень важно знать температурную зависимость вольтамперной характеристики и для них вводят еще один параметр – температурный коэффициент напряжения или e.
 |
Это относительное изменение напряжения стабилизации DUст/Uст к абсолютному изменению температуры DТ. У стабилитронов ТКН может быть больше и меньше нуля. Как правило, у низковольтных туннельных диодов ТКН отрицателен, а у более высоковольтных лавинных диодов ТКН положителен. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации показана на рисунке.
 |
Наличие отрицательного и положительного ТКН у стабилитронов позволяет осуществить термокомпенсацию и общий ТКН в таком случае оказывается значительно меньше. В частности последовательно со стабилитроном можно включить дополнительный диод, у которого ТКН имеет отрицательный характер или же выбрать два стабилитрона с одинаковыми ТКН, но с разными знаками. В этом случае схема из двух стабилитронов будет более стабильна и напряжение стабилизации будет мало меняться при изменении температуры внешней среды.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
где Е – нестабилизированный источник питания;
Rб – балластное сопротивление;
Rн – сопротивление нагрузки;
Iн – ток нагрузки;
Iст – ток стабилизации;
VD – стабилитрон включен в обратном направлении.
 |
По второму закону Кирхгофа:
 |
По первому закону Кирхгофа:
 |
Предположим, что в результате внешних факторов напряжение источника питания изменилось на DE, тогда
Очевидно, что выражение в знаменателе всегда больше единицы, т.е. напряжение на выходе параметрического стабилизатора значительно меньше, чем изменение напряжения на входе. Для того, чтобы уменьшить DUст надо уменьшить rст и увеличить Rб. При увеличении Rб большая часть напряжения источника питания будет падать на балластном сопротивлении Rб и для сохранения напряжения стабилизации в заданном диапазоне необходимо будет увеличить напряжение источника питания. Кроме этого на балластном сопротивлении будет также падать полезная мощность источника.
Желательно чтобы на балластном сопротивлении Rб падало не более 2 В.
ВЧ-ДИОДЫ
Обычно в радиотехнических устройствах (детектор, преобразователь частоты, смеситель частоты) используют ВЧ-диоды. ВЧ-диоды отличаются от выпрямительных диодов малой емкостью p-n-перехода.
Обычно в ВЧ-диодах используется точечный p-n-переход, у которого малая площадь p-n-перехода и, следовательно, мала емкость p-n-перехода, но также малы и токи через p-n-переход и мало обратное напряжение.
Получают точечные диоды следующим образом. Берут кристалл полупроводника n-типа, металлическую иглу, на кончике которой находится акцепторная примесь. Через иглу и кристалл пропускают мощный импульс тока короткий по длительности. В месте контакта образуется p-n-переход. Емкость ВЧ-диодов лежит в пределах С = 1 – 10 пФ. Чем меньше емкость p-n-перехода, тем выше частотный диапазон работы ВЧ-диода.
ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
В современных цифровых импульсных устройствах широко применяются импульсные диоды. Они относятся к классу ВЧ-диодов, но для них вводят временные ограничения. Входным сигналом для них является прямоугольный импульс, который имеет очень широкий спектр сигнала.
В момент t1 напряжение изменяет знак. При этом наблюдается резкий скачок обратного тока » Iд. В промежутке от t1 до t2 ток падает до Io – обратного тока диода.
tвост – называется временем восстановления обратного сопротивления p-n-перехода, т.е. – это время рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода.
При обратном включении на время tвост влияет барьерная емкость, которая заряжается до значения величины обратного напряжения. Ток в емкости опережает напряжение на 90о. По мере заряда барьерной емкости ток в емкости уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t2 ток принимает установившееся значение Iобр = Iо.
tвост»(0,1 – 1) мкс – для импульсных диодов.
Емкость p-n-перехода для импульсных диодов составляет единицы пФ.
Если входной импульс с большим временем длительности tU, то время восстановления tвост мало. Если tU – мало, то tвост возрастает.
В случае прямого включения диода в момент времени поступления единичного импульса тока t1 ток напряжение на диоде достигает максимального значения Umax, а затем падает до установившегося значения, равного единичному уровню U1.
Тогда tуст = t1 – t2 – время установления прямого напряжения.
Это происходит потому, что база высокоомна и на диоде падает максимальное напряжение. По мере инжекции носителей заряда из эмиттера в базу, сопротивление базы падает, потенциальный барьер уменьшается и это приводит к падению напряжения до установившегося значения равного U1.
tуст – определяют по напряжению от Umax до значения 1,2 от единичного уровня U1. Обычно tуст порядка единиц мкс.
Таким образом основными параметрами импульсного диодаявляются: Imax имп пр, Uобр. доп. (1 – 100В), С, tвост, tуст.
МЕЗАДИОДЫ
В интегральной технологии удобно получать мезадиод, который относится к импульсным диодам и способен работать с очень короткими импульсами.
Получают их следующим образом. Берут подложку n-типа и диффузией или напылением вносят акцепторную примесь, создавая тем самым область р-типа. Далее с помощью механической обработки или травления создают мезадиоды с малой площадью p-n-перехода. Затем пластину разрезают.
Параметры у мезадиодов те же, что и у импульсных диодов, т.е. Imax имп пр, Uобр. доп., С, tвост, tуст.
ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД
Если в полупроводнике высокая концентрация примесей, то это приводит к искривлению энергетических зон. В этом случае появляется туннель, по которому носители заряда из валентной зоны переходят в зону проводимости.
Если к туннельному диоду не проложено внешнее напряжение, то суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Участок от О до А – это участок явно выраженного туннельного эффекта (примерно до 0,2 В). Участок АВ при увеличении напряжения больше, чем U1, энергетические зоны еще более искривляются, что приводит к уменьшению тока туннельного эффекта (U2 примерно равно 0,4 – 0,6В).
При дальнейшем Увеличении напряжения (участок ВС) начинается диффузионный процесс, как и в обычном диоде.
Участок АВ – отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать туннельный эффект в схемах усилителей, электронных генераторов и импульсных переключательных устройствах (мультивибратор, триггер и т.д.), но мощность таких диодов обычно мала.
Параметры: Imax/Imin »5, Imax т.э., Imin т.э., — r, U1(max т.э.), U2(min т.э.), DU – изменение напряжения при прямом включении, когда максимальный ток туннельного эффекта становится равным диффузионному току.
ВАРИКАП
Варикап – это полупроводниковый диод с управляемой емкостью. Чтобы описать работу варикапа используют вольт-фарадную характеристику, т.е. зависимость емкости от приложенного напряжения.
Характеристика нелинейна и используют только ее часть при обратном включении диода. При уменьшении обратного напряжения Uобр емкость возрастает, т.е. в варикапе используют барьерную емкость.
Параметры варикапа: Cmax, Cmax/Cmin³10.
Применяют варикапы в избирательных устройствах, например в параллельном колебательном контуре.
Сразд – не пропускает постоянную составляющую в контур.
Изменяя напряжение, мы тем самым изменяем емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура. В приемниках с АПЧ используют именно варикап.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Д9А – высокочастотный, маломощный диод.
Здесь Д – означает диод, 9 – серия, А – особенности электрических параметров. В данном случае Д9А – германиевый диод.
КД220 К – кремниевый диод, серия 220.
Аналог этого обозначения 2Д220. Первая цифра здесь означает 1 – германий, 2 – кремний, 3 – арсенид галлия.
КС147 – кремниевый стабилитрон, серия 147, напряжение стабилизации 4,7 В.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Транзистором называют электропреобразовательный прибор с двумя и более p-n-переходами. Различают транзисторы двух типов n-p-n-типа и p-n-p-типа.
Эмиттер – это область с очень высокой концентрацией носителей заряда. Средняя область – база – другого типа проводимости, концентрация носителей в ней много меньше, чем концентрация в эмиттере, т.е. как и в диодах база высокоомна.
Коллектор осуществляет экстракцию носителей из базы поддействием внешнего напряжения. Концентрация носителей в коллекторе велика, но чуть ниже чем в эмиттере.
Если к транзистору приложить напряжение к эмиттерному переходу в прямом в прямом направлении, а к коллекторному переходу в обратном направлении, причем Ек>>Еэ, то тогда эмиттерный переход становится уже, его сопротивление уменьшается и начинается инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.
Т.к. база высокоомна, то можно считать, что дырки в эмиттер не переходят, поскольку они еще в базе рекомбинируют с электронами. Рекомбинация дает ток базы, который не велик, т.к. концентрация дырок в базе мала.
Коллекторный переход закрыт для основных носителей заряда, но поскольку электроны в базе являются неосновными носителями, то они под действием коллекторного напряжения Ек переходят в коллектор и создают во внешней цепи ток Iк – ток кллектора.
Таким образом во внешней цепи эмиттера течет эмиттерный ток, который равен:
Iэ = Iк + Iб
Причем в первом приближении можно считать, что Iэ = Iк, т.к. ток базы Iб очень мал. В реальных транзисторах в эмиттере, базе и коллекторе есть неосновные носители заряда. Поэтому через закрытый коллекторный переход течет ток неосновных носителей заряда коллектора Iо, или тепловой ток, т.е.
Iэ=Iк+ Iо
 |
На схемах транзисторы обозначаются следующим образом
Для транзистора важно знать соотношение между входным током Iвх и выходным Iвых, поэтому вводят коэффициент передачи по току. В схеме с общей базой (наш пример) это a — коэффициент передачи по току или коэффициент передачи эмиттерного тока.
Он равен a = Iк/Iэ»(0,96 – 0,999) – в реальных транзисторах, т.е. схема с общей базой не усиливает по току т.к. a<1.
ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА
Схема включения с общей базой. Здесь база является общим электродом для входа и выхода.
Iвх = Iэ, Iвых = Iк
Uвх = Uэб, Uвых = Uкб
Схема с общим эмиттером.
Здесь
Iвх = Iб, а Iвых = Iк
Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ
Схема с общим коллектором.
Iвх= Iб, Iвых= Iэ
Uвх = Uбк Uвых = Uэк
Наиболее часто встречаются схемы с общей базой и с общим эмиттером.
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА
Рассмотрим семейство входных и выходных вольтамперных характеристик, хотя есть и переходные характеристики и характеристики обратной связи ВАХ.
Входная вольтамперная характеристика транзистора в схеме включение с общей базой – это зависимость входного тока от входного напряжения Iвх = f(Uвх) при Uвых = const или иначе
Iэ = f(Uэб) при Uкб = const.
Это характеристика открытого эмиттерного перехода. На вольтамперную характеристику влияет напряжение на коллекторном p-n-переходе. Чем больше на нем напряжение, тем правее сдвигается входная вольтамперная характеристика транзистора. Это происходит в результате модуляции толщины базы. Если база уменьшается по толщине, то ее сопротивление увеличивается.
Выходная вольтамперная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения Iвых = f(Uвых) при Iвх = const. Семейство выходных характеристик – это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.
Здесь Iко – тепловой коллекторный ток насыщения.
С увеличением входного тока выходной ток пропорционально возрастает (Iэ4 > Iэ3 > Iэ2 > Iэ1 > 0). Выходной коллекторный ток практически не зависит от выходного напряжения Uкб.
Диапазон значений напряжения при Uкбкб = 0 коллекторный ток в выходной цепи обусловлен наличием электрического поля высокоомной базы, разность потенциалов которой аналогична разности потенциалов рассматриваемого ранее p-n-перехода.
ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
при Uкб = const. rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
— диффузионное сопротивление базы
— объемное сопротивление базы (зависит от концентрации носителей в базе)
при Iэ= const. rк – это дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.
— это коэффициент обратной связи по напряжению.
Отметим, что коэффициент обратной связи – это отношение входного напряжения к выходному. Отношение выходного напряжения к входному – это коэффициент прямой передачи (или коэффициент усиления ?)
при Uкб = const – это коэффициент прямой передачи по току.
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА
Обычно эквивалентную схему используют на переменном токе. Здесь Сэ – диффузионная емкость эмиттерного p-n-перехода, ею обычно пренебрегают.
mUкб – эквивалентный генератор тока (напряжения ?).
mUкб = Uэб
Б’ – внутренняя точка базы.
rб = r’б + r”б
m = (10-3 – 10-5) – поэтому в реальных транзисторах ею пренебрегают.
 |
Выходная цепь включает rк, барьерную емкость Ск и эквивалентный генератор тока aIэ = Iк. Барьерной емкостью Ск пренебрегать нельзя, т.к. сопротивление коллекторного перехода rк велико. В результате эквивалентная электрическая схема транзистора упрощается.
Параметры rэ, rб, rк, Ск приводятся в справочниках.
ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМЫ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
Входные характеристики – это зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером Iб = f(Uбэ) при Uкэ = const. Это характеристики открытого p-n-перехода.
При напряжении менее 0,3 В в цепи базы протекает обратный ток Iо. С увеличением напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ характеристика сдвигается влево, т.е. величина заданного входного тока 
появляется при меньшем напряжении база-эмиттер Uбэ, т.к. часть напряжения Uкэ прикладывается и к эмиттерному переходу.
Выходные вольтамперные характеристики – это зависимость выходного коллекторного тока от выходного напряжения, т.е. в данном случае Iк = f(Uбэ) при постоянном входном токе базы Iб = const. Это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.
Iкос – сквозной ток насыщения в схеме с общим эмиттером. Это нулевой сквозной ток коллектора, он течет через весь транзистор.
С ростом входного тока выходной ток также возрастает (Iб4 > Iб3 > Iб2 > Iб1 >0). Причем, чем больше входной ток, тем больше зависимость тока коллектора Iк от выходного напряжения Uкэ.
Что касается параметров схемы замещения, то здесь важно знать соотношение между входным и выходным токами. По аналогии со схемой с общей базой можно представить следующую схему замещения. Здесь параметры rб, rэ, rк, Ск – те же что и в схеме с общей базой, но данная схема не удобна, т.к. в ней нет связи между входным током Iб и выходным током Iк. Можно записать
Iэ = Iк + Iб Из схемы с общей базой Iк = aIэ + Iко , подставляем в данное выражение предыдущее, тогда
Iк = aIэ + aIб + Iко и отсюда получаем
А a — коэффициент передачи по току в схеме с общей базой, тогда
b — коэффициент передачи потоку в схеме с общим эмиттером.
РАЗДЕЛ II
ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭДЕКТРОНИКИ
Тема № 4 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Лекция 12. Полупроводниковые приборы
Электроника – это наука, изучающая принципы построения, работы и применения различных электронных приборов. Именно применение электронных приборов позволяет построить устройства, обладающие полезными для практических целей функциями – усиление электрических сигналов, передачу и прием информации (звук, текст, изображение), измерение параметров, и т.д.
Первый электронный прибор был создан в Англии в 1904 г. Это был электровакуумный диод, лампа с односторонней проводимостью тока. Очень быстро (за 30 лет) было разработано много типов электровакуумных приборов. Обладая достаточно высокими качественными показателями, они имели существенные недостатки: большие габариты, большую потребляемую мощность и малый срок работы. Эти недостатки серьезно мешали изготовлению сложных многофункциональных устройств.
В тридцатых годах началась интенсивная исследовательская работа по созданию полупроводниковых электронных приборов. За относительно короткий промежуток времени было создано такое многообразие полупроводниковых приборов, которое качественно позволило выполнить все функции электровакуумных приборов. А так как полупроводниковые приборы имеют малую потребляемую мощность, высокую надежность, малую массу и размеры, то уже к началу 70-х годов они практически полностью вытеснили электровакуумные электронные приборы. Большой вклад в развитие полупроводниковых электронных приборов внесли советские ученые Лосев, Френкель, Курчатов, Давыдов, Туркевич и многие другие.
Классификация полупроводниковых электронных приборов
Полупроводниковые приборы разделяют по их функциональному назначению, а также по количеству электронно-дырочных переходов. Напоминаю, что электронно-дырочный переход это промежуточный переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость (n-типа), а другая – дырочную (р-типа). Вся совокупность полупроводниковых приборов разделяется на беспереходные, с одним, двумя и более переходами (рис 12.1)
 |
Применение беспереходных приборов основано на использовании физических процессов, происходящих в объеме полупроводникового материала. Приборы, в которых используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры, называются термисторами. В эту группу приборов входят терморезисторы (их сопротивление на несколько порядков падает при увеличении температуры), а также позисторы (их сопротивление увеличивается с увеличением температуры). Терморезисторы и позисторы применяются для измерения и регулирования температуры, в цепях автоматики и т.д.
Рис.12.1
В качестве нелинейных сопротивлений применяются полупроводниковые приборы, в которых используется зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Такие приборы называются варисторами. Их применяют для защиты электрических цепей от перенапряжения, в цепях стабилизации и преобразования физических величин.
Фоторезистор, это прибор, в фоточувствительном слое которого при облучении светом возникает избыточная концентрация электронов, а значит их сопротивление уменьшается.
Большую группу представляют полупроводниковые приборы с одним р-n переходом и двумя выводами для включения в схему. Их общее название – диоды. Различают диоды выпрямительные, импульсные и универсальные. К этой группе относятся стабилитроны (они применяются для стабилизации токов и напряжений за счет значительного изменения дифференциального сопротивления пробитого р -n перехода). Варикапы (емкость их р-n перехода зависит от величины приложенного напряжения), фото и светодиоды и т.п.
Полупроводниковые приборы с двумя и более р-n переходами, тремя и более выводами называются транзисторами. Очень большое количество транзисторов, различающихся по функциональным и другим свойствам, разделяют на две группы – биполярные и полевые. К этой же группе приборов (с тремя и более р-n переходами) можно отнести приборы переключения – тиристоры.
Самостоятельную группу приборов представляют интегральные микросхемы (ИМС). ИМС – это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования или обработки сигнала (усиление, генерация, АЦП и т.д.) Они могут содержать десятки и сотни р-n переходов и других электрически соединенных элементов. Все интегральные микросхемы делятся на два сильно отличающихся друг от друга класса :
— полупроводниковые ИМС;
-гибридные ИМС.
Полупроводниковые ИМС представляют полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются диоды, транзисторы, резисторы и другие элементы. Они имеют высокую степень интеграции, малую массу и габариты.
Основу гибридной ИМС представляет пластина диэлектрика, на поверхности которой в виде пленок нанесены компоненты схемы и соединения (в основном пассивные элементы).
 |
Кроме деления по количеству р-n переходов и функциональному назначению полупроводниковые приборы разделяются по величинам предельно допускаемой мощности и частоты (см.рис. 12.2.)
Рис. 12.2.
2. Типы проводимости полупроводниковых материалов.
Электронно-дырочный переход. Основные параметры
полупроводниковых диодов.
Типы проводимости полупроводниковых материалов и свойства электронно-дырочного перехода рассматривались в курсе молекулярной физики, раздел «Электричество». Поэтому сейчас выделим лишь основные положения этих вопросов.
В чистом полупроводнике, при температуре выше абсолютного нуля по шкале Кельвина генерируется два вида подвижных носителей зарядов – электрон и дырка. При наличии таких носителей полупроводник приобретает способность проводить электрический ток. Электропроводность, обусловленная только генерацией пар электрон-дырка, называется собственной. Количественно она может быть определена выражением
,
где:
g = 1,6 × 10-19 K – заряд электрона;
n и p – концентрация подвижных электронов и дырок, причем n=p;
mn и mp – подвижность носителей.
Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры, поэтому
,
где:
А – константа;
Т — температура по Кельвину;
W – ширина запретной зоны;
К = 1,38 × 10-23 – постоянная Больцмана.
Проводимость полупроводников существенно изменяется при добавлении примеси. Так, если валентность примеси больше валентности полупроводника (например атомы фосфора), то концентрация электронов существенно (на 10 – 20 порядков) увеличивается. Поэтому количественно проводимость может быть вычислена выражением
где nn – концентрация примесных носителей.
Такая примесь называется донорной, проводимость – электронной, а полупроводник – полупроводником n – типа.
При добавлении примеси, валентность которой меньше валентности полупроводника (например, атомы бора), в теле полупроводника резко увеличивается концентрация дырок. Поэтому
,
где:
РР — концентрация примесных носителей.
Такая примесь называется акцепторной, проводимость — дырочной, а полупроводник — полупроводником p — типа.
Металлургическая граница между полупроводниками двух типов называется электронно-дырочным или p-п переходом. Это основной рабочий элемент полупроводниковых электронных приборов. Выделим следующие его свойства.
1. При отсутствии внешнего электрического поля у границы p-п перехода образуется объемные заряды электронов в p области и дырок в п области. Перепад потенциала зарядов образует потенциальный барьер 
, причем
,
где: 
— концентрация ионизированных атомов в полупроводнике;
— температурный потенциал, при Т=3000К, 
.
В непосредственной близости от границы перехода образуется слой полупроводника обедненного носителями зарядов. Проводимость этого слоя мала и его называют запирающим. Сопротивление р-п перехода определяется толщиной запирающего слоя.
В установившемся режиме через р-п переход протекают диффузионные токи электронов in диф и дырок iР диф,а также дрейфовые (обратные) токи электронов in др и дырок iР др, причем
in диф = — in др;
iР диф = — iР др.
Поэтому результирующий ток равен нулю.
2. При обратном включении Р-n перехода (минус к Р области, плюс к n области) запирающий слой расширяется. Сопротивление р-п перехода увеличивается (до 104 Ом). Практически все напряжение внешнего источника подает на этом сопротивлении, увеличивая высоту потенциального барьера 
, причем
.
Этот барьер препятствует диффузионным токам, уменьшая их до нуля (в зависимости от величины 
). Значение дрейфовых токов остается прежним или несколько возрастает в зависимости от теплового режима полупроводника.
3. При прямом включении р-п перехода (плюс к р области, минус к n области), запирающий слой уменьшается. Сопротивление р-n перехода подает (до п100 Ом). Теперь падение напряжения встречно потенциальному барьеру 
, причем
.
Это приводит к увеличению диффузионных токов, которые называют прямыми, и обозначают Iпр.
Таким образом, р-n переход обладает односторонней проводимостью. Это основное свойство целого класса полупроводниковых электронных приборов, называемых диодами. Напомню, что диод это полупроводниковый электронный прибор с одним р-n переходом и двумя выводами. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 12.3а.
Часто вывод, к которому подключают «+» источника питания при прямом включении, называют анодом. Второй вывод — катодом.
Диоды характеризуются следующими основными параметрами:
Среднее значение прямого тока и напряжения.
Среднее значение обратного тока.
Максимально допустимое прямое и обратное напряжение.
Максимально допустимое значение прямого тока.
Максимально допустимые мощность, частота, границы температуры окружающей среды и др.
Обобщенной характеристикой диодов является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения (рис. 12.3б). Она описывается выражением
,
где:
— приложенное напряжение;
— обратный (дрейфовый) ток, который часто называют тепловым.
Так как при комнатной температуре 
, то при прямых напряжениях выше 0,1 В значением единицы в последнем выражении можно пренебречь. Значит, прямой ток через диод изменяется по экспоненциальному закону.
При обратных напряжениях 
>0,1В экспоненциальный член выражения становится пренебрежимо малым по сравнению с 1. Им можно пренебречь. Значит при обратном включении ток через диод становится очень малым, меняет знак (обратный0 и не зависит от приложенного напряжения.
Собственный полупроводник
Собственный полупроводник Для изготовления полупроводников применяют в основном германий и кремний, а также некоторые соединения галлия, индия и пр. Для полупроводников характерен отрицательный температурный
Бакулова Н.В. НГТУ Страница 4
ВАРИАНТ 1 1. Оголенный проводник сложили в 2 раза. Как изменится его сопротивление? Как изменится его вольт-амперная характеристика? Изобразить графически в относительных единицах. 2. Подсчитайте общее
Дисциплина «Твердотельная электроника»
Дисциплина «Твердотельная электроника» ТЕМА 7: «Оптоэлектронные полупроводниковые приборы» Легостаев Николай Степанович, профессор кафедры «Промышленная электроника» Оптоэлектронные полупроводниковые приборы.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Лектор: ст. преподаватель Баевич Г.А. Лекция 4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 1. Назначение, классификация и параметры диодов. 2. Устройство диодов малой, средней и большой мощности.
) j 1 и j з — j 2 — j2 — j 2. V2. j2 —
ТИРИСТОРЫ ПЛАН 1. Общие сведения: классификация, маркировка, УГО. 2. Динистор: устройство, принцип работы, ВАХ, параметры и применение. 3. Тринистор. 4. Симистор. Тиристор — это полупроводниковый прибор
удельный заряд электрона
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ 1. Все металлы являются проводниками тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных
Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ
29 Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Классификация полевых транзисторов 2. МОП-транзисторы 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 5. Выводы
Дисциплина «Твердотельная электроника»
Дисциплина «Твердотельная электроника» ТЕМА 3: «Полупроводниковые диоды» Легостаев Николай Степанович, профессор кафедры «Промышленная электроника» Классификация диодов. Полупроводниковым диодом называют
варикапы, стабилитроны и др.
2.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования
Дисциплина «Твердотельная электроника»
Дисциплина «Твердотельная электроника» ТЕМА 8: «Полупроводниковые термоэлектрические и гальваномагнитные приборы» Легостаев Николай Степанович, профессор кафедры «Промышленная электроника» Полупроводниковые
Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники
Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то, как показывает опыт, электрический ток
История развития электроники
История развития электроники Содержание: Истоки развития электроники Первое радио Этапы развития электроники История развития полупроводников Школа академика А. Ф. Иоффе Свойства полупроводников Полупроводниковые
Что такое выпрямитель
Что такое выпрямитель Для чего нужны выпрямители Как известно, электрическая энергия производится, распределяется и потребляется преимущественно в виде энергии переменного тока. Так удобнее. Однако потребители
Основы электроники 1/45
Основы электроники 1/45 Планетарная модель атома (Бор, Резерфорд) предусматривает наличие ядра и вращающихся на определенных (разрешенных) орбитах вокруг него электронов. Под действием внешних факторов
Температурный коэффициент сопротивления
Температурный коэффициент сопротивления Вы могли заметить, на столе удельных сопротивлений, что все данные были указаны при температуре 20 по Цельсию. Если вы заподозрили, что это означало, удельное сопротивление
Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 5.1. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Назначение и классификация усилителей. Усилители переменного напряжения являются наиболее распространенным типом электронных
Нелинейные сопротивления «на ладони»
Нелинейные сопротивления «на ладони» Структурой, лежащей в основе функционирования большинства полупроводниковых электронных приборов, является т.н. «p-n переход». Он представляет собой границу между двумя
П201, П201Э, П201А, П201АЭ, П202, П202Э, П203, П203Э
П201, П201Э, П201А, П201АЭ, П202, П202Э, П203, П203Э Общие данные Германиевые плоскостные (сплавные) p-n-p транзисторы. Основные области применения — усилители мощности низкой частоты (0,5 10 вт), преобразователи
Элементы оптоэлектроники
Элементы оптоэлектроники Электроника Оптоэлектронные приборы предназначены для преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне (в
1. Общие положения Электронная техника.
1. Общие положения Контрольно-оценочные средства (КОС) предназначены для контроля и оценки образовательных достижений обучающихся, освоивших программуучебной дисциплины Электронная техника. КОС включают
Элементарнаябазаэлектронных устройств
Элементарнаябазаэлектронных устройств Диоды, стабилитроны, транзисторыи тиристоры Электронными называют устройства, в которых преобразование электроэнергии и сигналов реализуется с помощью электронных
5.1. Физические основы полупроводников
5.1. Физические основы полупроводников Тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную (N), а другая дырочную (Р) проводимость, называется электронно-дырочным
1. Назначение и устройство выпрямителей
Тема 16. Выпрямители 1. Назначение и устройство выпрямителей Выпрямители это устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 1 представлена структурная схема выпрямителя,
Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ
Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ План 1. Источники вторичного электропитания 2. Однополупериодный выпрямитель 3. Двухполупериодные выпрямители 4. Трехфазные выпрямители 67 1. Источники вторичного электропитания Источники
к изучению дисциплины
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ. С.Г.Камзолова ПОСОБИЕ к изучению дисциплины «Общая электротехника и электроника», раздел «Электронные приборы» Часть 1. для студентов
U à, В
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА Контрольные задания Вариант 4 1. Начертить схему включения лучевого тетрода и указать назначения всех элекродов. Каковы недостатки и достоинства лучевых тетродов по сравнению с триодами
В основе современной схемотехники силовой электроники лежат силовые полупроводниковые приборы. Известно огромное количество приборов разных типов, свойства и характеристики которых описаны в соответствующей литературе []. Для первоначального изучения основных схем все это многообразие приборов удобно классифицировать с точки зрения их управляемости.
Таким образом, все известные типы силовых полупроводниковых приборов могут быть подразделены на три класса:
— приборы неуправляемые – приборы, момент включения и выключения которых определяется полярностью напряжения между анодом и катодом (направлением тока в анодной цепи), например, диоды;
— приборы с неполным управлением – приборы, момент включения которых определяется не только полярностью напряжения между анодом и катодом, но и наличием сигнала в цепи управления, а момент выключения определяется лишь направлением анодного тока, например, обычные тиристоры;
— приборы с полным управлением – приборы, в которых и момент включения, и момент выключения определяются не только полярностью напряжения между анодом и катодом, но и соответствующими сигналами в цепи управления. Примерами их могут служить силовые транзисторы и запираемые тиристоры.
Характерная особенность приборов с неполным управлением, а именно невозможность их выключения без изменения направления анодного тока, создает некоторые трудности для обеспечения коммутации в схемах инверторов, как автономных, так и ведомых сетью.
В базовых схемах выпрямления, как правило, применяются диоды или тиристоры. Для изучения работы этих схем параметры вольтамперных характеристик конкретных приборов не имеют принципиального значения, соответственно, реальные приборы могут быть замещены идеальными ключами, у которых падение напряжения от прямого тока равно нулю, а обратный ток при приложении обратного напряжения пренебрежимо мал.
Например, диодный выпрямитель, предназначенный для питания обмотки возбуждения машины постоянного тока, собран по однофазной мостовой схеме и имеет номинальное выходное напряжение 
В и номинальный выходной ток 
А. Прямое падение напряжения в диоде выпрямительного моста 
.
Принимая во внимание, что в контуре тока нагрузки включено два диода, нетрудно оценить погрешность расчета схемы при пренебрежении этим падением напряжения:
%, (1.1)
где 
— относительная погрешность расчета выходного напряжения, %;
— число диодов в контуре тока;
— прямое падение напряжения в диоде от прямого тока, В;
— номинальное выходное напряжение выпрямителя, В.
Как видно из (1.1), даже при сравнительно невысоком выходном напряжении, характерном для преобразователей средней мощности, погрешность расчета всего около 1 %. Аналогично можно показать, что обратные токи диодов, составляющих величины порядка единиц мА, также не оказывают существенного влияния на результаты расчета рабочих режимов схемы. Поэтому, для изучения основных электромагнитных процессов в схемах выпрямления, обычно, вместо реальных полупроводниковых приборов используются идеальные ключи, у которых прямое падение напряжения равно нулю, обратные токи отсутствуют, а процессы включения и выключения происходят бесконечно быстро. Такое допущение позволяет описать электромагнитные процессы в схеме на интервале между коммутациями с помощью линейных эквивалентных схем, что, в свою очередь, дает возможность использовать хорошо разработанный аппарат линейной теории цепей.
Следует отметить, что совершенствование элементной базы силовой электроники, в частности, появление доступных, быстродействующих силовых транзисторов (MOSFET, IGBT), привело к тому, что в настоящее время наблюдается распространение методов, характерных для автономных преобразователей, в системы на базе преобразователей ведомых сетью, в которых традиционно использовалась естественная коммутация. Как известно, принципиальными недостатками тиристорных управляемых выпрямителей с фазовым регулированием является несинусоидальная форма входного тока и быстрое снижение входного коэффициента мощности при увеличении глубины регулирования выходного напряжения. Переход от фазового метода регулирования к широтно-импульсному, с соответствующей заменой тиристоров на приборы с полным управлением, позволяет успешно решать эти проблемы. В результате, появились относительно новые области применения «автономных преобразователей» — высокочастотные корректоры коэффициент мощности, выпрямители с формированием кривой входного тока (активные выпрямители), источники реактивной мощности и т.п.
Классификация полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые резисторы и диоды – двухэлектродные приборы.
Транзисторы – трехэлектродные.
Тиристоры – могут быть как двух, так и трехэлектродными.
В полупроводниковых резисторах используются однородные (изотропные) полупроводники — материалы.
В полупроводниках диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один p-n переход.
В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами проводимости образуют два p-n перехода. В полевых – один, в тиристорах 3 и более p-n переходов.
Полупроводниковые резисторы – это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление полупроводника зависит от напряжения. Полупроводниковые резисторы изготавливают из полупроводников, равномерно легированных примесями.
Л
инейный
резистор,
в котором используется слаболегированный
кремний или арсенид галлия. R=const
в широком диапазоне изменений напряжений
и токов. Используют в ИМС.
В
аристор
– полупроводниковый резистор с нелинейной
симметричной БАХ. Изготавливают из
кристаллического карбида кремния,
смешанного с глиной. Применяют в целях
защиты от перенапряжений.
Т
ерморезисторы
(позисторы – с ростом t°
растет R)
(термисторы – с ростом t падает R)
– полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от t° термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов с электронной электропроводностью – окислов металлов.
Позисторы изготавливают из титан бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. Применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации.
Т
ензорезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление
которого зависит oт
линейной деформации рабочего тела.
Материалом при изготовлении служит
кремний p
и n
— типов, применяют для измерения
деформации твердых тел.
Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием лучистой энергии. В качестве материала для фоторезистора используют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий и др. полупроводники с n — проводимостью. Фоторезисторы обладают высокой интегральной чувствительностью и применяются в устройствах автоматики и телемеханики.
Полупроводниковые диоды — полупроводниковые приборы с одyим p-n переходом и двумя выводами делятся на два класса: точечные и плоскостные. По способу внесения примесей: сплавные и диффузные.
1
)
Выпрямительный
диод используется
для выпрямления переменных
токов и напряжений.
Основные параметры:
1
)
прямой ток диодаIпр (при Uпр=l2B)
2) max допустимый ток диода I пр. max.
3) max допустимое обратное напряжение Uобр.max.
4) обратный ток диода Iобр. (при Uобр.max.) Большинство диодов могут надежно работать при Uобр. 0,70,8Uпроб..
2
)
Стабилитрон
– полупроводниковый
диод, напряжение на котором в области
электрического пробоя слабо зависит
от тока. Используют для стабилизации
напряжения. Материал изготовления –
кремний.
О
сновные
параметры:
1) стабилизирующее напряжение Uст.(11000 В)
2) динамическое сопротивление на участке стабилизации
R=dUст./dIст. (0,5200 const)
3) min ток стабилитрона Iст. min[110 мА]
4) max ток стабилитрона Iст. max[502000 мА]
5) температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации
TKU = dUст./dT100% (-0,5+0,2)% / °С.
Стабилитроны можно включать только последовательно друг с другом, при этом
Uст.= Uст. 1 + Uст. 2 + … + Uст. n.
Параллельное соединение не допустимо, т.к. из-за не идентичности характеристик возможен перегрев одного из стабилитронов.
3
)
Туннельный диод
(1)(рассмотрен ранее)
Основные характеристики:
1) ток пика In 100 мА)
2) ток впадины Iв (…)
3) отношение In/Iв520
4
)
Обращенный диод
– разновидность туннельного In.0.
Используется
обратная
ветвь. Применяют в импульсных устройствах,
в преобразователях сигналов (смесителях
и детекторах) в радиотехнических
устройствах.
5
)Варикап – полупроводниковый прибор, использующий
зависимость емкости p-n
перехода от обратного напряжения.
Используется как элемент с электрически
управляемой емкостью (материал –
кремний) а также в системах дистанционного
управления и в параметрических усилителях
с малым уровнем собственных шумов.
Основные
параметры:
1
)
общая емкость варикапа Св приUобр.=25
В.
2) коэффициент перекрытия по емкости Кс=520
– фотодиод
– светодиод
– фотоэлемент
Тиристор (теория в лаб. работе).
Транзисторы
биполярные
полевые
Биполярные транзисторы
Транзистор — электропреобразовательный полупроводниковый прибор, служащий для преобразования электрических величин. Наиболее распространены транзисторы с двумя p-n переходами. Эти транзисторы называют биполярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными. Они работали не достаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.
Устройство биполярного транзистора. Средняя область называется Базой (Б), две крайние – Эмиттер (Э) и Коллектор (К). Пластинка полупроводника (Ge или Si) в которой созданы три области Э, Б, К. В транзисторе два p-n перехода: Эмиттерный (между Э Б) и Коллекторный (между Б и К). Область базы должна быть очень тонкой – это условие хорошей работы транзистора. Концентрация примесей в ^азе значительно меньше, чем в Э и К. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока (от «+» к «–») при прямом напряжении.
Транзистор может работать в одном из трех режимов:
«А» => активном – на Э напряжение прямое, на К – обратное
«В» => отсечки (запирания) – на оба перехода подается Uобр.
«С» => насыщение – на оба перехода подается Uпрямое.
Активный режим (режим линейный) – основной (A) он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки (В) и насыщения (С) характерны для импульсной работы транзистора.
В схемах с транзисторами образуются две цепи:
– входная или управляющая – служит для управления работой транзистора и подключения источника усиливаемых колебаний;
– выходная или управляемая – служит для получения усиленных сигналов и подключения нагрузки.
Схемы включения биполярных транзисторов.
10
3. Типы полупроводниковых приборов.
Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные
диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке ) перед
пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины,
вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной
проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий
вид на рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К
плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода
служит стальная шайба , покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося
полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена
покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая
электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий
ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.
4. Призводство
Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки
площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из
кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек
индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают
(диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием
дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя
областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше
пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом
направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат
капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы
к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.
5. Область применения
Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70
до 125 С . Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала,
поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их
используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для
измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно
допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и
обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.
Транзисторы , как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке
и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от
неправильного подключения.
Что такое полупроводниковое устройство?
Полупроводниковые приборы — это электронные схемы, которые не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами. Эти устройства предпочтительны из-за низкой стоимости, надежности и компактности. За последние 70 лет эти устройства стали чрезвычайно популярными при изготовлении различных электронных устройств.
Большинство металлов являются хорошими проводниками, а это означает, что они позволяют электричеству течь свободно.Это включает в себя медь и алюминий, которые широко используются в электронике.
Аналогичным образом, такие материалы, как стекло, дерево и пластик, являются изоляторами, которые препятствуют прохождению электричества.
Полупроводниковые приборы обладают сочетанием свойств как проводников, так и изоляторов. При комнатной температуре эти устройства обладают более низкой электропроводностью, чем проводники.
Тем не менее, в таком состоянии списки полупроводниковых приборов предлагают высокую проводимость по сравнению с изоляторами.
Отверстия и электроны в полупроводниковых приборах
В полупроводниках электроны и дырки несут электронный заряд. Отверстия несут положительно заряженные частицы, в то время как электроны несут отрицательно заряженные частицы в полупроводнике. Величина равна для дырок и электронов. Тем не менее, их полярность противоположна друг другу.
Semiconductor Properties
Как указывалось ранее, полупроводниковые устройства могут проводить электричество в идеальных условиях или условиях.Тем не менее, ниже перечислены некоторые другие свойства полупроводника —
Проводимость полупроводника возрастает с повышением температуры, то есть при нагревании.
Поток тока из-за дырок и электронов
Снижение потерь мощности
Полупроводниковые приборы могут экономить энергию путем легирования
Сопротивление уменьшается с увеличением температуры
Материалы, представляющие полупроводник Свойства
Ниже приведены примеры полупроводниковых элементов и соединений —
Селен
Германий
Кремний
Теллур
Арсенид галлия
Полупроводники можно разделить на два типа: трехполюсники и двухполюсники.Различие основано на физике полупроводниковых приборов.
Двухполюсные полупроводники — это полупроводниковые материалы, которые поставляются только с одним положительно-отрицательным (p-n) переходом.
Трехполюсные полупроводники — Эти полупроводниковые материалы имеют положительный-отрицательный-положительный (p-n-p) переход.
См. Таблицу ниже, чтобы узнать о различных примерах полупроводников —