Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н И К А
Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
Полупроводники при наличии примесей
«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.
— также используются свойства» р-n «переходов,
Полупроводниковые приборы — виды, обзор и использование
Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые материалы 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.
На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы :
Линейный резистор — удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.
Варистор — сопротивление зависит от приложенного напряжения.
Терморезистор — сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).
Фоторезистор — 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.
Выпрямительные диоды 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.
Универсальные диоды 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).
Импульсные диоды 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.
Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.
Варикапы — 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.
Светодиоды — это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.
Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.
Диоды Шоттки – 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:
Транзистор — 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.
Биполярный транзистор — 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.
Полевой транзистор — 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:
Тиристор — 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
Динисторы (двухэлектродные) — 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.
Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.
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.