- •1. Приведите основные понятия, термины и определения электрических цепей
- •2. Дайте определение эдс. Приведите условные обозначения, основные параметры и характеристики источников эдс и тока.
- •4. Приведите основные соотношения для тока и напряжения r, l и с приемников электрической энергии.
- •5. Дайте определения основных топологических понятий электрических цепей
- •6. Поясните суть анализа линейных электрических цепей методом эквивалентных преобразования.
- •7. Поясните алгоритм анализа линейных электрических цепей методом контурных токов.
- •8. Приведите пример анализа линейных электрических цепей методом узловых напряжений.
- •9. Раскройте суть анализа линейных электрических цепей методом эквивалентного активного двухполюсника.
- •10. Сформулируйте определения, приведите основные параметры синусоидального тока (напряжения).
- •13. Проведите вывод выражений для комплексного сопротивления r, l и с элементов
- •14. Проведите вывод для комплексного сопротивления электрической цепи с последовательно включенными r, l и с элементами
- •15. Проведите переход от комплексной показательной к комплексной алгебраической форме сопротивления электрической цепи.
- •18. Проведите вывод выражений для реактивной и полной мощности цепи с последовательно включенными r, l и с элементами
- •23. Приведите схему, основные параметры трехфазной трехпроводной электрической цепи.
- •25. Проведите анализ особенностей физических процессов в магнитных цепях переменного тока.
- •26. Поясните физические основы работы простейших электромагнитных устройств
- •27. Приведите общие сведения о трансформаторах напряжения
- •30. Общие понятия об электроприводе.
- •31. Приведите классификацию электрических машин.
- •32. Э.Д.С. В рабочих обмотках электрических машин.
- •33. Преобразование энергии в электрических машинах
- •35. Генераторы постоянного тока.
- •36. Механические характеристики двигателей постоянного тока.
- •37. Асинхронные двигатели.
- •38. Конструкция и принцип работы синхронного двигателя
- •39. Проведите классификацию полупроводниковых приборов, поясните принцип их условного обозначения.
- •40. Поясните физическую сущность, приведите количественные оценки известных типов проводимости полупроводниковых материалов
- •41. Поясните физические процессы в электронно-дырочном переходе при отсутствии внешнего электрического поля
- •42. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего электрического поля.
- •44. Биполярные транзисторы. Структурная схема, работа транзистора в активном режиме.
- •45. Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов
41. Поясните физические процессы в электронно-дырочном переходе при отсутствии внешнего электрического поля
Концентрация примесей, а значит, и основных носителей в областях р-n перехода обычно не одинакова (Рис. 18.4, б). Различие может составлять несколько порядков. Разность концентраций вызывает диффузию носителей заряда из области с более высокой концентрацией в область с менее высокой концентрацией. Основные носители n области – электроны – диффундируют в р область и наоборот, дырки из р области диффундируют в n область. Диффузионный ток через переход определяется суммой токов электронов и дырок. Но один из них значительно, на несколько порядков, больше другого.
Переход через границу р-n перехода и постоянный приток носителей противоположного знака приводит к появлению объемных зарядов – дырок в n области и электронов в р области. Между объемными зарядами, в непосредственной близости от обеих сторон границы, возникает область, обедненная подвижными носителями, а потому обладающая большим электрическим сопротивлением. Эта область называется запирающим слоем.
Объемные заряды создают внутри запирающего слоя электрическое поле, которое препятствует диффузионному току и называется потенциальным барьером – ∆φ0. График изменения потенциала электрического поля приведен на рис. 18.4, в. Количественно потенциальный барьер оценивают в вольтах, выражением (18.7)
где – тепловой потенциал, ni – концентрация собственных носителей.
Электрическое поле между объемными зарядами вызывает направленное движение через переход собственных носителей заряда (электронов и дырок). Такое движение направлено навстречу диффузионному току и называется дрейфовым током. Когда диффузионный и дрейфовый токи выравниваются по абсолютной величине Iдиф = Iдр, суммарный ток равен нулю, и р-n переход приходит в равновесное состояние.
Таким образом, металлургическая граница между полупроводниками n и р типа является и границей между двумя объемными зарядами – объемным зарядом электронов в р области, и объемным зарядом дырок в n области. При отсутствии внешнего электрического поля разность потенциалов между объемными зарядами ∆φ0 может иметь значения от 0,6 до 1,2 В. Через р-n переход протекают диффузионные токи Iдиф.n и Iдиф.р, а также дрейфовые токи Iдр.n и Iдр.р.
В состоянии равновесия Iдиф = Iдиф.n + Iдиф.р = – Iдр = – (Iдр.n + Iдр.р), т. е. результирующий ток равен нулю. Так как дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному, его называют обратным и обозначают Iо. Величина обратного тока сильно зависит от температуры, поэтому иногда его называют тепловым током, обозначая IT. Сопротивление р-n перехода определяется сопротивлением запирающего слоя.
42. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего электрического поля.
Если внешнее напряжение приложено минусом к p области и плюсом к n области (рис. 18.5, а), то оно совпадает с контактной разностью потенциалов ∆0. Это приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое, увеличению сопротивления этого слоя и росту потенциального барьера до значения ∆φ1 = ∆0 + Uобр.
Диффузия основных носителей через p-n переход уменьшается, а при определенном значении Uобр может полностью прекратиться. Такое напряжение называется обратным. Обратным называют и включение p-n перехода. При обратном включении поле p-n перехода втягивает все подошедшие к нему собственные носители, и через переход протекает только обратный ток Iо. Так как число собственных носителей (дырок в n области и электронов в p области) мало, то величина обратного тока Iо значительно (на несколько порядков) меньше диффузионного и зависит только от температуры.
Если внешнее напряжение приложено плюсом к р области и минусом к n области (рис. 18.6, а), то оно направлено встречно контактной разности потенциалов ∆0, поэтому высота потенциального барьера уменьшается до значения ∆φ2 = ∆φ0 – Uпр (рис. 18.6, б). Такое напряжение называют прямым, а при подаче его на переход говорят, что переход включен (смещен) в прямом направлении.
В результате снижения контактной разности потенциалов в переходе запирающий слой обогащается подвижными носителями, сопротивление его уменьшается. Это приводит к увеличению диффузионного тока, причем, значение тока связано с напряжением на переходе экспоненциальной зависимостью ,
где U – напряжение на p-n переходе.
Обратный ток по - прежнему не зависит от приложенного напряжения, определяется только количеством собственных носителей и протекает в противоположном направлении. Результирующий ток называется прямым током p-n перехода и определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов:
. Таким образом, p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Чем больше прямое напряжение Uпр, прикладываемое к переходу, тем ниже потенциальный барьер, тем меньше сопротивление перехода, тем больше ток основных носителей через переход. Зависимость тока p-n перехода от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой. Вольт - амперная характеристика, построенная по (18.10), приведена на рис. 18.7. Так как тепловой потенциал φТ при температуре 300 К равен 25мВ, то уже при U = 0,1В можно считать, что .
Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов ∆φ0, т. е. измеряется долями вольта. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n перехода. Пробой возникает при достаточно большом (десятки вольт) обратном напряжении Um за счет лавинного размножения собственных носителей и называется лавинным пробоем. Если ток лавинного пробоя не ограничен, то при некотором его значении It пр происходит тепловой пробой. Тепловой пробой разрушает p-n переход.
Вольт – амперная характеристика позволяет определить статическое сопротивление Rст p-n перехода в любой заданной точке. Например, для точки А значение Rст = U1/I1. Дифференциальное сопротивление Rдиф можно определить, воспользовавшись выражением (18.10). Для этого сначала определим дифференциальную проводимость:
,а затем сопротивление:
Полупроводниковый p-n переход обладает емкостью. Емкость перехода зависит от значения и полярности приложенного напряжения. При обратном напряжении - , где С(0) – значение емкости при U=0. При прямом напряжении большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от прямого тока и времени жизни собственных носителей
43. Полупроводниковые диоды. Классификация, принцип работы, основные параметры и характеристики. Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом и двумя выводами для включения в схему. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.
Для правильного выбора и применения диодов используют систему
количественных оценок их свойств – параметров. К числу основных параметров относятся– максимально допустимый средний прямой ток;– максимальный обратный ток;– падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока;– импульсное обратное напряжение и др.
Большое разнообразие диодов классифицируют по ряду признаков: по функциональному назначению, по конструкции p –n перехода, по технологии изготовления, по предельно допустимой мощности и частоте.
По функциональному назначению все диоды можно разделить на выпрямительные и специальные. В специальных диодах используются различные свойства p-n переходов: явление пробоя (стабилитроны), управляемую емкость перехода (варикапы и варакторы), фотоэффект (фотодиоды), фотонную рекомбинацию носителей зарядов (светодиоды) и др. В зависимости от частоты и формы применяемого напряжения диоды разделяют на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.
По конструкции p-n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры p-n перехода, определяяющие его площадь, значительно больше, а у точечных меньше длины свободного пробега носителей заряда. Плоскостные диоды используются для выпрямления больших токов, а точечные – малых. Для увеличения напряжения лавинного пробоя применяют выпрямительные столбы, представляющие ряд последовательно включенных диодов.
По технологии изготовления p –n перехода диоды разделяют на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Сплавные диоды применяют на низких частотах (до 5 кГц), диффузионные – на частотах до 100 кГц, эпитаксиальные – до нескольких МГц.
Особую группу образуют диоды с переходом металл-полупроводник. В месте контакта металла с полупроводником возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника, который называют запорным. При обратной полярности внешнего напряжения обедненный слой расширяется, его сопротивление увеличивается, а ток через переход уменьшается. Следовательно, такой контакт металла с полупроводником обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют переходами с барьером Шотки.