Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.
по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.
Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.
Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.
Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.
Классификация полупроводниковых приборов
На основе беспереходных полупроводников изготавливаются :
– удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.
– сопротивление зависит от приложенного напряжения.
– сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).
– сопротивление зависит от освещенности (излучения). Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций.
Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.
Это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n – перехода.
Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.
Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.
Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.
Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).
Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода
В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.
Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.
предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.
С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.
служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).
предназначены для преобразования импульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения – малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.
– это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.
– принцип действия основан на свойстве p-n-перехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем величины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении.
– это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.
– обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.
– основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды.
Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды
Подробнее о диодах смотрите здесь:
Параметры и схемы выпрямителей
Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы
– это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.
Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток – действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.
С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.
Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor – управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.
Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.
– по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.
– по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
– по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.
– по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
– по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.
– по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.
В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:
1) Активный режим – используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения – говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».
2) Режим насыщения – сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.
3) Режим отсечки – транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.
Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.
– это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.
В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.
На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.
Рисунок 3 – Условно – графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)
Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости – электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).
Эмиттер (Э) – слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;
Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;
База (Б) – средний слой, управляющий током транзистора.
При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой – выходным (включается нагрузка), третий электрод – общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.
Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером
Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора – в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.
К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.
Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.
Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT, имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.
В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.
Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.
Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
– это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.
Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.
У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика – МДП-транзисторы (металл – диэлектрик – полупроводник), частный случай – окисел кремния – МОП-транзисторы.
МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.
Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.
Подробнее о транзисторах смотрите здесь:
– это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.
Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.
Рисунок 5 – Условно – графическое обозначение тиристоров
– как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.
Тиристоры (тринисторы – трехэлектродные) – имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.
– может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.
Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
Симисторы (симметричные тиристоры) – проводят ток в обоих направлениях.
Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электронные приборы – это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твёрдом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме. Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.
Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.
Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно технологическим признакам, роду рабочей среды и т. д.
В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.
По виду рабочей среды различают следующие классы приборов: полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные, хемотронные (рабочая среда – жидкость). В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.
По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.
Наиболее часто электронные приборы классифицируют по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, виду рабочей среды, конструктивно-технологическим признакам и т.д.
По виду рабочей среды принята следующая классификация:
а) электровакуумные (вакуум);
б) газонаполненные (газ);
в) полупроводниковые (полупроводник);
г) хемотронные (жидкость).
В зависимости от вида сигнала и способа обработки информации электронные приборы подразделяются на:
а) электропреобразовательные (обработка электрических сигналов);
б) электросветовые (преобразование электрических сигналов в оптические);
в) фотоэлектрические (преобразование световых сигналов в электрические);
г) термоэлектрические (преобразование тепловых сигналов в электрические);
д) акустоэлектрические (преобразование акустических сигналов в электрические);
е) механоэлектрические (преобразование механических усилий в электрический сигнал);
ж) магнитоэлектрические (преобразование изменения магнитного поля в электрический сигнал).
В зависимости от назначения и выполняемых функций выделяют следующие группы:
ж) индикаторные и т.д.
В зависимости от значения одного из основных параметров приборы подразделяются на следующие виды:
а) низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные;
б) маломощные, средней мощности, мощные;
в) низковольтные, высоковольтные.
Основные понятия о режимах работы и параметрах электронных приборов
Режим работы – это совокупность условий (параметров), определяющих работу прибора. Для электронных приборов рассматриваются электрические, механические и климатические режимы работы. Соответственно подразделяют и параметры: электрические (ток, напряжение и т.п.); механические (нагрузки, удары, вибрация и т.п.); климатические (температура, влажность, уровень радиации и т.п.).
Численные значения параметров, установленные нормативно-технической документацией и обеспечивающие оптимальный режим работы устройства, называют номинальными. Кроме номинальных вводится понятие предельных параметров, которые характеризуют предельно допустимые режимы работы (допустимое обратное напряжение, допустимый прямой ток и т.д.).
К электродам электронных приборов подключают источники как постоянных, так и переменных напряжений. Если прибор работает при постоянных напряжениях, то такой режим называют статическим. В этом случае все параметры режима во времени не изменяются. Режим работы прибора, при котором хотя бы на одном из электродов напряжение изменяется во времени, называется динамическим.
Кроме параметров режима работы различают параметры электронного прибора, которыми называют физические величины, характеризующие свойства прибора, например, коэффициент усиления, входное сопротивление и т.п.
Зависимость какого-либо параметра, который принят в качестве функции от другого параметра, принятого в качестве аргумента при условии, что все остальные величины остаются неизменными, называют статической характеристикой прибора. Совокупность характеристик при различных фиксированных значениях независимого третьего араметра называют семейством характеристик. Важнейшими характеристиками электрических приборов являются статические характеристики, отображающие связь тока в цепи какого-либо электрода от напряжения на любом электроде в статическом режиме. Часто название характеристик связывают с названием электродов (например, коллекторные, анодные, стоковые и т.п.).
Классификация электронных устройств, аналоговые электронные устройства, электронные цифровые устройства
Для целей передачи, преобразования, и хранения информации применяются электронные устройства. Их работа основана на взаимодействиях заряженных частиц с электромагнитными полями, посредством которых и происходит то или иное преобразование электроэнергии, служащее конкретным целям.
Эти устройства могут, например, генерировать или усиливать электромагнитные колебания, служить средством вычисления, или быть средством хранения информации (память).
Область применения электронных устройств в современном мире поистине безгранична, и почти каждый современный электрический прибор имеет их в своей конструкции.
Электронные устройства делятся на два класса: аналоговые и цифровые. работают с непрерывно изменяющимися сигналами, а – с сигналами в цифровой форме, т.е. в форме дискретных импульсов, по сути, с информацией, представленной посредством двоичного кода.
Для аналоговых устройств характерно непрерывное изменение сигнала в соответствии с физическим процессом, который он описывает. По сути, такой сигнал является непрерывной функцией с неограниченным числом значений в различные моменты времени.
Например: температура воздуха меняется, и соответствующим образом меняется аналоговый сигнал в виде перепадов напряжения, или маятник меняет свое положение, совершая гармонические колебания, и снимаемый аналоговый сигнал будет иметь форму синусоиды. Здесь электрический сигнал несет полную информацию о процессе.
Аналоговые устройства просты, надежны и обладают высоким быстродействием, что и обеспечило им весьма широкое применение, невзирая на не самую высокую точность обработки сигналов. Тем не менее, к недостаткам аналоговых устройств относятся: низкая помехоустойчивость, сильная зависимость от внешних факторов (температура, старение элементов, внешние поля), а также искажения при передаче и низкая энергоэффективность.
К аналоговым устройствам относятся:
Цифровые электронные устройства работают с дискретными сигналами. Как правило, такой цифровой сигнал состоит из последовательности импульсов, значений в которой всего два – «Ложь» или «Истина» (0 или 1). В целом цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементных базах: на электромагнитных реле, на транзисторах, на оптоэлектронных элементах, или на микросхемах.
Главным образом, современные цифровые схемы строятся из логических элементов, и могут быть связанны между собой посредством триггеров и счетчиков. Они нашли широкое применение в системах автоматизации и робототехнике, измерительных приборах, а также в системах радио и телекоммуникации.
Цифровой сигнал устойчив к помехам, его легко обрабатывать и записывать, а также передавать без искажений, что и дает электронным устройствам на этой основе неоспоримое преимущество перед аналоговыми устройствами.
К цифровым устройствам относятся:
Однако и у цифровых устройств есть недостатки: иногда цифровое устройство имеет более высокое энергопотребление, чем аналоговое устройство соответствующего функционала, например, в сотовых телефонах зачастую используют аналоговый интерфейс малой мощности для усиления и настройки радио-сигналов базовой станции.
Некоторые цифровые устройства дороже аналоговых. Бывает, что порча лишь одного фрагмента данных, записанных цифровым способом, приводит к искажению всего блока информации.
Еще в 19 веке был открыт ряд физических явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем и веществом. Такие явления получили названия электромагнитных. К ним относятся:
– испускание электронов накаленным телом – термоэлектронная эмиссия;
– испускание электронов веществом под воздействием фотонов (фотоэффект);
– испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция);
– зависимость электронной проводимости цепи, состоящей из накаленного и ненакаленного электродов, разделенных вакуумным промежутком, от направления тока;
– ионизация разреженного газа при прохождении потока быстро движущихся электронов, сопровождающаяся резким увеличением электрической проводимости среды;
– наличие двух типов электропроводности полупроводника (электронной и дырочной), в зависимости от преобладания того или другого вида носителей заряда (электронов или дырок);
Перечисленные и многие другие электронные явления хорошо изучены и имеют практическое применение. Приборы, принцип действия которых основан на физических явлениях, связанных с движением электрически заряженных частиц в вакууме, газе или в твердом теле, называются электронными. Область науки и техники, которая занимается изучением и разработкой электронных приборов и устройств, называется электроникой.
Наиболее общим классификационным признаком является рабочая среда, в которой протекают основные физические процессы в приборе. Таким образом, различают электровакуумные, ионные (газоразрядные) и полупроводниковые приборы.
В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой – баллоном. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразреженного газа с давлением порядка 10-6 мм рт. ст. К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые, фотоэлектронные и сверхвысокочастотные приборы.
Ионными (газоразрядными) называют приборы, баллоны которых наполнены инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.), их смесью, водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне не велико: 10-10-5 мм рт. ст. Заполнение приборов газом позволяет пропустить через них значительно больший ток, чем это возможно в электровакуумном приборе при той же потребляемой мощности, что объясняется малым внутренним сопротивлением прибора, а следовательно, малым падением напряжения между анодом и катодом.
Конструкция и назначение ионных приборов весьма разнообразны. Большинство их типов применяется для выпрямления переменного тока (газотроны, игнитроны, тиристоры, ртутные вентили и др.). Используются они также для стабилизации постоянных напряжений (стабилитроны), в качестве электронных реле, переключающих устройств (ионные разрядники).
Само название «электронные приборы» указывает на то, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо за счёт движения электронов, либо при их непосредственном участии. Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.
Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивнотехнологическим признакам, роду рабочей среды и т.д.
Электропреобразовательные приборы представляют самую большую
группу электронных приборов. К ним относят различные типы диодов и транзисторов, тиристоры, газоразрядные, электровакуумные приборы.
К электросветовым относят светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, электронно-лучевые трубки.
К фотоэлектрическим – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные батареи.
К термоэлектрическим – полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы.
Акустоэлектрические усилители, генераторы, фильтры, линии задержки на поверхностных акустических волнах относятся к акустическим приборам. В последнее время на стыке электроники и оптики сформировалась новая область техники – оптоэлектроника, привлекающая для решения задач формирования, хранения и обработки сигналов методы электроники и оптики.
Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы. Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами. Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом.
Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т.д. Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим.
Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.
Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники
Полупроводники имеют собственную э лектропроводность, которая называется примесной при внесении примеси. Внося различные примеси, можно сформировать полупроводники с заданными свойствами.
В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:
Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).
В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.
Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.
Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.
Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.
Гетерогенный переход (гетеропереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.
Гомогенный переход (гомопереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.
Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.
Электронно-электронный переход (n-n+-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.
Дырочно-дырочный переход (p-p+-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью
Формирование электронно-дырочного перехода происходит при контакте полупроводников без подачи внешнего напряжения. Атомы примесной проводимости, расположенные вдоль границ раздела жестко связаны с кристаллической решеткой и неподвижны.
Вследствие этого, диффузионный ток, между областями, образующийся в момент контакта, осуществит перенос электронов с внешних электронных оболочек атомов в в области n на незаполненные внешние оболочки атомов примеси в области p типа. Этот процесс можно рассматривать, как мгновенную ионизацию всех приграничных атомов примеси по обе стороны границы раздела, что приведет к образованию двух приграничных заряженных слоев противоположного знака по отношению к примесной проводимости в каждой из областей.
Эти дваприграничных слоя и образуют область э лектронно-дырочного перехода, обедненного основными носителями. Поле, образованное р-п переходом, направлено против основного поля, образованного исходными атомами р – и п- проводимости, что вызывает образование тока дрейфа дырок и электронов, направленного противоположно исходному току диффузии. Возникает равновесное состояние, которое характеризуется некоторой величиной поля E, шириной р-п перехода w, емкостью C и контактной разностью потенциалов φк.
Такие переходы могут быть cимметричными и несимметричными. При симметричных переходах области полупроводника имеют одинаковую концентрацию примеси, а в несимметричных – разную (концентрации примесей различаются на несколько порядков – в тысячи и десятки тысяч раз).
Границы переходов могут быть плавными или резкими, причем при плавных переходах технологически трудно обеспечить качественные вентильные свойства, которые необходимы для нормальной работы диодов и транзисторов, поэтому резкость границы играет существенную роль; в резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L.
При подаче внешнего напряжения для электронно-дырочного p-n-перехода характерны три состояния: равновесное; прямосмещенное); обратносмещенное).
Равновесное состояние p-n-перехода рассматривается при отсутствии напряжения на внешних зажимах. В этом случае потенциальный барьер, возникающий на границе двух областей, препятствует равномерному распределению носителей по всему объему полупроводника. Преодолеть этот барьер в состоянии лишь те основные носители, у которых достаточно энергии и они образуют через переход диффузионный ток Iдиф. Кроме того, в каждой области имеются неосновные носители, для которых поле p-n-перехода будет ускоряющим, эти носители образуют через переход
дрейфовый ток Iдр , который чаще называют тепловым или током насыщения I0. Суммарный ток через равновесный p-n-переход будет равен нулю:Свободное движение носителей через электронно-дырочный переход возможно при снижении потенциального барьера p-n-перехода. При этом происходит инжекция носителей заряда, т.е. их переход из области эмиттера в область базы в другую под действием внешнего напряжения. Область эмиттера легируется примесными атомами значительно сильнее, чем база. За счет разной концентрации примесных атомов в несимметричных переходах имеет место односторонняя инжекция: поток носителей из области с низкой концентрацией примесных атомов (из базы) очень слабый и им можно пренебречь.
При прямой полярности внешнего источника равновесное состояние перехода нарушается, так как поле этого источника, накладываясь на поле p-n-перехода, ослабляет его, запрещенная зона перехода уменьшается, потенциальный барьер снижается, сопротивление перехода резко уменьшается, диффузионная составляющая тока при этом возрастает в «еu/jt» раз и является функцией приложенного напряжения
где j t = kT/q – температурный потенциал (при комнатной температуре j t = 0,025В);
k – постоянная Больцмана;
T – температура;
q – заряд электрона.
Составляющая тока Iо в идеализированном переходе при воздействии прямого внешнего напряжения остается практически без изменения. Следовательно, прямой результирующий ток через идеальный p-n-переход
Уравнение (2.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.
При построении ВАХ перехода по (2.1) видно, что для идеального p-n-перехода при напряжениях, больших нуля, характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения. Для реальной ВАХ при учете омического падения напряжения в слое базы, внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы rб при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 2.1) реального перехода, можно записать следующим образом:
При обратной полярности внешнего источникаполярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется. При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа:
Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения
Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 22.1).
При Uобр, большем 3jt, диффузионный ток через переход прекращается. При этом ток неосновных носителей продолжает течь через переход.
Отношение прямого и обратного тока называется коэффициентом выпрямления.
Квыпр =Iпр/Iобр = exp U/jt, ( 2.7)
Очевидно, что Квыпр имеет очень большую величину и характеризует выпрямительные свойства р-п перехода
Обратный ток в общем случае носит название тока термогенерации и имеет большую величину; тогда как тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается (в Si p-n переходе), так как он на 2-3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.
В реальном переходе наблюдается значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. При действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки – в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Этот ток слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения
С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:
туннельный (при напряженности поля перехода свыше 106 В/см, до точки «а»);
электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;
тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).
Рис. 2.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода
Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства и его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.
Электронные прибор, составляющие основу электроники, можно классифицировать по двум признакам:
– по принципу работы;
– по функциональному назначению.
По принципу работы электронные приборы могут быть разделены на четыре класса:
1. Электронные приборы – поток электронов движется между электродами, находящимися в высоком вакууме, т.е. в среде столь разряженного газа, что движущиеся электроны не испытывают столкновений с частицами газа.
2. Газоразрядные приборы – движение электронов в межэлектродном пространстве происходит в условиях столкновения их с частицами газа (с молекулами и атомами), что при определенных условиях приводит к ионизации газа, резко изменяющего свойства прибора. Такие приборы называются ионными.
3. Электрохимические приборы – принцип действия основан на явлениях, связанных с происхождением электрического тока в жидких телах с ионной проводимостью. Такие приборы работают на основе явлений, изучаемых электрохимией и электроникой – хемотроникой.
4. Полупроводниковые приборы – принцип действия основан на электронных явлениях в веществах, имеющих кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Связанные между собой атомы располагаются строго определенным способом, что образует кристаллическую решетку твердого тела.
По функциональному назначению электронные приборы могут быть разделены на три группы:
1. Электропреобразовательные – это приборы, в которых электрическая энергия одного вида (например, постоянного тока) преобразуется в электрическую энергию другого вида (например, переменного тока различной формы). К ним относятся выпрямительные, усилительные, переключающие, стабилизирующие приборы и т.п.
2. Электроосветительные – это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения. К ним можно отвести электронно-световые индикаторы, ЭЛТ, знаковые индикаторы, лазеры, в т.ч. светоизлучающие диоды и т.д.
3. Фотоэлектрические – это приборы, в которых энергия светового излучения преобразуется в электрическую энергию. Это фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, видеокамеры и т.п.
Общим для всех электронных приборов является то, что в них осуществляется преобразование энергий различных видов, поэтому приборы, имеющие существенные отличия в принципе действия, применяются по одному и тому же функциональному назначению, т.е. для одной и той же цели и обладают близкими свойствами.
Электрический прибор или электроприбор — это техническое устройство, приводимое в действие с помощью электричества и выполняющее некоторую полезную работу, которая может выражаться в виде механической работы, выделения теплоты и др. или предназначенное для обеспечения работы других электроприборов.
В электроэнергетике электроприбор рассматривается как «потребитель», «нагрузка» или «активное сопротивление».
Любой электроприбор должен иметь освидетельствование отдела технического надзора (ОТК, TKK, CE, KEMA-KEUR и т. д.), а также инструкцию по его эксплуатации.
Бытовые электроприборы
Бытовой электроприбор — это электрическое или электромеханическое устройство, выполняющее некоторую работу в домашнем хозяйстве, например, приготовление пищи, уборка и т. д. Бытовые электроприборы являются разновидностью бытовой техники.
Бытовые электроприборы по традиции разделяют на крупные и мелкие.
Крупные бытовые электроприборы отличаются достаточно большими размерами и массой, чтобы их переноска была затруднена. Они устанавливаются в определённом месте и подключаются к сети электроснабжения.
Примеры крупных бытовых электроприборов:
Мелкие бытовые электроприборы портативны. При использовании их устанавливают на столах и других поверхностях или держат в руках. Часто они оснащены ручками для удобства переноски. Мелкие бытовые электроприборы могут работать как от сети, так и от батареек.
Примеры мелких бытовых электроприборов:
Электронные приборы
Электронные приборы, электронная техника (промышленная и бытовая электроника) — электроприборы, управление и прнцип работы которых основан на принципах электроники и исполненные на основе электронных компонентов. Примеры:
- Радиоприёмник (тюнер)/Радиоприёмник
- Телевизор
- Магнитофон
- Видеомагнитофон
- Проигрыватель (CD–, DVD-, мультимедиа-)
- Усилитель
- Компьютер
Ссылки
- When the world first Electric Home appliance was invented, web site with Japanese language by Hokkaidō Hakodatechubu High School, Personal computer research club. (ja:北海道函館中部高等学校)
- Sears Home Services Site – For Appliance Maintenance and Repair
