ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный

университет имени В.П. Горячкина»

Кафедра: Теоретических основ электротехники

Реферат по электротехнике

Выполнил: студент 33гр.

Факультета ТС в АПК

Проверил: Пузарин А.В.

Москва 2011г.

p-n переход

Для начала разберемся что такое полупроводники. Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. В диодах и транзисторах в основном используется зависимость проводимости от примесей. Самый распространенный полупроводник — это кремний. Он четырехвалентен. На рисунке изображено его схематическое строение.

N-проводимость

Если в него ввести атомы пятивалентного элемента то картина изменится. У введенного атома остается 1 неспаренный электрон на внешнем уровне. Если подать напряжения на концы проводника, то на электрон начнет действовать электрическая сила, и возникнет ток. Введенный атом же станет положительно заряженным ионом. Проводимость обеспечивается электронами, носителями отрицательного заряда (negative), отсюда и название n-проводимость.

P-проводимость

Вы наверно уже догадались, что теперь мы будем вводить примеси с валентностью меньше четырех. Как видите, для установления связи трехвалентному атому примеси не хватает 1 электрона. Если на концы подать напряжение, то атомы примеси будут притягивать к себе электроны соседних атомов, и будут образовываться «дырки». Следующий атом тоже будет притягивать к себе электрон от соседнего (электрическая сила ему поможет). Когда дырка доберется до отрицательно заряженного контакта, электрон заполнит ее, а с другого конца полупроводника электрон «убежит», и цикл продолжится. Таким образом дырки будут двигаться, как будто они — положительные заряды (positive) поэтому назвали P-проводимость.

P-N переход

После того как мы поместим примеси в полупроводник начнет устанавливаться p-n переход. Электроны из n-части перескочат в p-часть, таким образом на краю n-части останутся положительно заряженные ионы, а у p-части появятся отрицательно заряженные ионы. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области – избыточный отрицательный заряд. Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Эти ионы и образуют p-n переход. Если электрон или дырка попытаются перейти в другую часть, то ионы по ту сторону перехода будут отталкивать частицы, а с этой стороны притягивать, таком образом не давая им перейти в другую сторону. Поле будет отталкивать дырки - области от границы раздела полупроводников, а электроны -области – вправо от этой границы.

Поведение p-n перехода под напряжением

Высокий потенциал на n части

Когда на n часть подается высокий потенциал, часть электронов начинает двигаться, и возникает маленький ток, но при этом электроны уходят из области p-n перехода, оставляя положительно заряженные ионы. Сила действующая на электрон в направлении обратном движению возрастает, и ток больше не может расти (то же самое происходит и с обратной стороны, только вместо электронов дырки, а ионы не положительные, а отрицательные).

Высокий потенциал на p части Тут все намного проще. Напряженность поля, создаваемого источником тока больше чем напряженность поля, создаваемого p-n переходом, следовательно сила действующая на заряды тоже больше, и они начинают двигаться.

Применение :

• Диоды

• Транзисторы

• Тиристоры

• Варикапы

• Фотодиоды

Диоды

Как работает диод

Диод - 2-электродный электровакуумный, полупроводниковый или газоразрядный прибор с односторонней проводимостью электрического тока: он хорошо пропускает через себя ток в одном направлении и очень плохо — в другом. Это основное свойство диода используется, в частности, для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток.

Схематическое устройство диода:

Конструктивно диод представляет собой небольшую пластинку германия или кремния, одна область (часть объема) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть «дырочной» (содержащей искусственно созданный недостаток электронов), другая — электропроводимостью n-типа, то есть электронной (содержащей избыток электронов). Границу между ними называют p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах positiv — «положительный», и negativ — «отрицательный». Область p-типа исходного полупроводника такого прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Принцип работы диода.

Если к диоду VD через лампу накаливания HL подключить батарею GB так, чтобы вывод положительного полюса батареи 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 HL. Значение этого тока зависит от сопротивления p-n перехода диода и поданного на него постоянного напряжения. 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 батареи GB поменять местами, как показано на рис. б, то лампа HL 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.

В таком опыте лампа накаливания выполняет двоякую роль: служит индикатором и ограничителем тока в цепи. При непосредственном прямом подключении батареи к диоду ток в цепи может оказаться столь значительным, что p-n переход перегреется и диод выйдет из строя.

Главное отличие германиевых диодов от кремниевых в значении прямых напряжений, при которых они открываются и практически не оказывают заметного сопротивления текущим через них токам. Германиевые диоды открываются при прямом напряжении 0,1...0,15 В, а кремниевые — при 0,6...0,7 В.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперную характеристику диода в открытом состоянии можно аппроксимировать двумя отрезками прямых, что позволяет определить необходимые параметры

для анализа, расчёта и моделирования.

При прямом напряжении на диоде – U_D < U_DO ток через диод равен нулю. Для U_D > U_DO диод аппроксимируется сопротивлением

Таким образом, модель диода в открытом состоянии описывается линейным уравнением U_D = U_DO + r_D.

В закрытом состоянии сопротивление диода принимается бесконечным, а ток через диод – равным нулю.

Транзисторы

Транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор. Существует несколько типов транзисторов, различающихся физическими эффектами, лежащими в основе их принципа действия. В данном пособии рассмотрены конструкция и работа так называемого биполярного транзистора, построенного на основе трехслойного кристалла с двумя очень близко расположенными pn-переходами.

Транзистор- это прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем памяти, процессора, логики и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров(миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров. Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП транзисторов.

Схема Бипо-лярного транзистора

транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы(n (negative) — электронный тип примесной проводи-мости, p (positive) — дырочный).

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — большая площадь p – n — перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех

напряжений на противоположные по знаку. Один из источников подключен к коллектору и эмиттеру. Полярность включения его выбирается таким образом, чтобы коллекторный переход был заперт, а эмиттерный открыт, то есть для npn - транзистора - положительным полюсом к коллектору и отрицательным - к эмиттеру. Этот источник называется источником питания коллектора (цепи коллектора) и при определенных условиях создает ток в цепи эмиттер-коллектор. (Напряжение источника обычно лежит в диапазоне от единиц до десятков вольт). В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они - неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 – 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) = (10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Классификация транзисторов:

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

• маломощные транзисторы до 100 мВт

• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт

• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению

• дискретные транзисторы

  • корпусные

    • Для свободного монтажа

    • Для установки на радиатор

    • Для автоматизированных систем пайки

  • бескорпусные

• транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

• металло-стеклянный

• пластмассовый

• керамический

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «Металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы:

• Германиевые

• Кремниевые

• Арсенид-галлиевые

Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок

Схемы выпрямления