- •Основные электрофизические явления в полупроводниковых материалах. Общая характеристика и классификация полупроводниковых приборов (ппп) и устройств (ппу) на их базе.
- •Полупроводник n-типа
- •Полупроводник р-типа
- •Электронно-дырочный переход (p - n - переход)
- •Прямое и обратное включение p-n- перехода.
- •Вах p-n- перехода.
- •Полупроводниковые резисторы
- •Полупроводниковые диоды
- •Вольт-амперная выпрямительного диода:
- •Специальные типы диодов
- •Биполярные и полевые транзисторы. Их характеристики и практическое применение.
- •Биполярные транзисторы
- •Режимы работы биполярного транзистора.
- •Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов
- •Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора.
- •Полевые транзисторы.
- •I- линейная область, II- область насыщения, III- область пробоя,
- •Основные параметры полевых транзисторов
- •Ппу – особенности устройства и практического применения. Применение полупроводниковых диодов.
- •Однофазная однополупериодная схема выпрямления
- •Однофазная мостовая схема
- •Сглаживающие фильтры.
- •Применение стабилитронов.
- •Параметрический стабилизатор напряжения
- •Применение полупроводниковых транзисторов.
- •Транзисторный каскад с общим эмиттером.
- •Логические элементы. Логические элементы
- •Шифратор
- •Дешифратор
- •Триггеры.
- •Jk-триггер
- •Т-триггер
- •Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель.
Полупроводниковые диоды
(от др.-греч. ди — два и –од – путь)
Выпрямительный диод.
Выпрямительный диод служит для выпрямления переменного тока.
Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки - Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
).
Область p-типа диода является анодом, а область n-типа — катодом.
Вольт-амперная выпрямительного диода:
Если к диоду подключить источник питания так, чтобы вывод положительного полюса был соединен с анодом, а вывод отрицательного полюса с катодом диода (рис а), тогда в образовавшейся электрической цепи появится ток, о чем будет сигнализировать загоревшаяся лампа. Такое состояние диода называют открытым, ток, текущий через него,— прямым током Iпр, а поданное на него напряжение, благодаря которому диод оказался в открытом состоянии,— прямым напряжением Uпр.
Если полюсы источника питания поменять местами, как показано на рис. б, то лампа не загорится, так как в этом случае диод находится в закрытом состоянии и оказывает току в цепи большое сопротивление. Небольшой ток через p-n переход диода в обратном направлении все же пойдет, но по сравнению с прямым током будет столь незначительным, что нить накала лампы даже не среагирует. Такой ток называют обратным током Iобр, а напряжение, создающее его,— обратным напряжением Uобр.
Важными параметрами, характеризующими свойства диода, являются статическое и дифференциальное сопротивление p-n-перехода.
Если к нелинейному элементу приложить постоянные напряжения, то он будет характеризоваться статическими параметрами.
Для диода статическое сопротивление определяется просто как отношение приложенного напряжения к соответствующему току.
.
Дифференциальное сопротивление равно отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:
.
Специальные типы диодов
- Стабилитроны (диод Зенера).
Предназначен для стабилизации напряжения источника питания.
Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток.
Основные параметры стабилитронов:
Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при про-текании через него тока стабилизации;
Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации;
Температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации:
- Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
-Туннельные диоды
Применяются как усилители, генераторы.
Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике.
Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей, вследствие чего получается малая толщина p-n-перехода, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.
Параметрами туннельных диодов являются:
Пиковый ток Iп – значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;
Ток впадины Iв – значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;
Отношение токов Iп/ Iв – (для туннельных диодов из отношение , для германиевых );
Напряжение пика – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;
Напряжение впадины – значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;
Напряжение раствора – значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.
-Варикап
Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости. Это обратносмещенный полупроводниковый диод. Запертый p-n-переход варикапа обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от обратного напряжения.
Основные параметры варикапов:
Номинальная ёмкость – ёмкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении;
Добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной ёмкости или обратном напряжении;
Коэффициент перекрытия по ёмкости – отношение максимальной ёмкости варикапа к его минимальной ёмкости при двух заданных значениях обратного напряжения.
Температурный коэффициент ёмкости – относительное изменение ёмкости варикапа, приходящееся на один градус изменения температуры окружающей среды.
- Светодиоды (диоды Генри Раунда).
Используются для индикации. В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор - и в УФ.
-Полупроводниковые лазеры.
По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.
- Фотодиод.
Используется в оптоэлектронике. Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n-переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта.
Фотодиод можно использовать в двух различных включениях: фотодиодном и фотогальваническом.
Фотогальваническое включение предполагает использование фотодиода как источника фотоЭДС, поэтому в настоящее время его называют полупроводниковый фотоэлемент.
При фотодиодном включении фотодиод работает с внешним источником U, который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС EФ , которая по отношению к источнику U включена последовательно и согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф.
- Солнечный элемент
Это источник фотоЭДС. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
Каждый элемент производит немного энергии, поэтому для обеспечения электроснабжения в достаточном объеме необходимы батареи таких соединенных друг с другом элементов. Элемент состоит из тонкого слоя полупроводникового материала, обычно кремния. В некоторых солнечных элементах применяют другой полупроводник - арсенид галлия. Они менее эффективны, чем кремниевые, но могут работать при гораздо более высоких температурах.
-Диоды Ганна.
Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
Кроме вышеперечисленных элементов, нашли применение:
- Лавинно-пролётный диод. основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ.
- Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
- Смесительный диод — предназначен для перемножения 2-ух высокочастотных сигналов.
- pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.