Технічний коледж
Національного університету водного господарства та
природокористування
Курс лекцій
з дисципліни:
"Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка "
(І частина)
для студентів спеціальності 5.092503
"Монтаж і обслуговування засобів і систем автоматизації технологічного виробництва"
Рекомендовано до друку
методичною радою
Технічного коледжу НУВГП
Протокол № ___
від «___» _______2008 р.
Рівне – 2008
Курс лекцій для вивчення першого розділу з дисципліни “ Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка ” студентами ІІІ курсу спеціальності 5.092503 “Монтаж і обслуговування засобів і систем автоматизації технологічного виробництва ” С.В. Бєлікова.- Рівне: - 2008р.- 52с.
Упорядник: С.В.Бєлікова, викладач.
Рецензент: Г.М. Федорук, викладач вищої категорії
Відповідальний за випуск: заступник директора з
навчально-методичної роботи Л.І. Васьковець
ЗМІСТ
Передмова …………………………………………………………..…. 4
Лекція 1. Вступ. Основні поняття та напрямки розвитку електроніки, області її застосування. Стан та перспектива розвитку електронної техніки………….. 4.
Лекція 2. Конструктивні особливості та характеристики резисторів та конденсаторів……….…….………… 7
Лекція 3. Напівпровідники, електронна структура, п-р перехід……………………………………………… 15
Лекція 4. Напівпровідникові прилади., принцип дії, основні характеристики……………..…………..… 23
Лекція 5. Транзистори, біполярні та польові транзистори…………………………….…………... 28
Лекція 6. Тиристори. Структура і принцип дії………….. 47
Список рекомендованої літератури …………………... 52
ПЕРЕДМОВА
Конспект лекцій призначений для вивчення першого розділу “Вступ. Елементи напівпровідникової електроніки“ з курсу “Електроніка, мікроелектроніка, схемотехніка“.. В конспективній формі сформульовані основні поняття та визначення основних термінів з курсу та довідкові дані. У кінці кожної лекції конспекту перераховані питання для самоконтролю для гарантованого рівня знань студента які, необхідні для отримання заліку.
Лекція №1
ТЕМА: Вступ. Основні поняття та напрямки розвитку електроніки, області її застосування. Стан та перспектива розвитку електронної техніки. Основні елементи електронних пристроїв.
Електроніка - галузь науки що вивчає фізичні явища в напівпровідникових елементах, електричні характеристики та властивості пристроїв і схем, побудованих на їх базі.
Становлення електроніки як науки можна віднести до початку XX ст., коли було винайдено електронну лампу – діод (В. Флемінг, 1904р.). В 50-тих роках із винаходом напівпровідникового транзистора (У. Шоклі, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948р.) розпочався етап напівпровідникової електроніки. Завдяки своїм перевагам порівняно з вакуумними приладами, транзистори зумовили бурхливий розвиток електроніки, що характеризувався малогабаритністю та відносно малим енергоспоживанням.
Новий поштовх в розвитку електроніки надали інтегральні схеми (мікросхеми), промисловий випуск яких розпочався у шістдесятих роках й особливо сприяв інформаційній електроніці. Це призвело до створення надвеликих інтегральних схем, які стали основними компонентами мікропроцесорів і електронних обчислювальних машин. Використання інтегральних схем дало змогу збільшити надійність систем, зменшити їх габарити та споживну енергію.
Сьогодення електроніки характеризується широким використанням цифрових елементів, у яких дискретні сигнали шляхом їх кодування заміняються відповідними числами. Такі елементи оперують логічними одиницями, що забезпечує подання будь-якої інформації у двійковій системі числення.
Значні успіхи в багатьох областях науки і техніки зумовлені розвитком електроніки. Промисловість випускає майже всі електронні функціональні вузли, необхідні для створення пристроїв вимірювальної і обчислювальної техніки, а також систем автоматики: інтегральні електронні підсилювачі, комутатори, логічні елементи, помножувачі напруги, тригери, лічильникі імпульсів, суматори і т. д.
На основі великих інтегральних схем випускають мікропроцесори, які дозволяють реалізовувати велику кількість різноманітних операцій без будь-яких змін в технології виготовлення. Використання базових матричних кристалів і програмованих логічних матриць є іншим способом розширення функціональних можливостей інтегральних схем. Масово виготовляють єдині матриці не комутованих елементів. Електронні зв'язки проводять індивідуально на етапі формування пристроїв, виходячи з вимог замовника.
Основні етапи розвитку електроніки
| Етапи | Роки | Елементна база | Характерні ознаки |
| Перший | 1904-1948 | Вакуумні електронні лампи | Великі габарити, велике енергоспоживання |
| Другий | 1948-1960 | Напівпровідникові діоди, транзистори, тиристори. | Зменшення габаритів. Підвищення надійності. Друкований монтаж. |
| Третій | 1960-1980 | Інтегральні схеми | Блочна конструкція схем. Мале споживання енергії. |
| Четвертий | 1980-теперишній час | Великі та надвеликі інтегральні схеми. | Схема як пристрій електроніки з певними функціональними можливостями. Блочне компонування. |
Лекція №2
ТЕМА: Конструктивні особливості та характеристики резисторів та конденсаторів.
план:
- Конденсатори.
1.1.Основні характеристики;
1.2.Застосування конденсаторів;
- Резистори;
2.1.Основні характеристики та властивості резисторів,
2.2.Застосування резисторів.
Конденсатори
В 1745 році в Лейдині німецький фізик Евальд Юрген фон Клецст і голландський фізик Пітер Ван Мушенбрук створили перший конденсатор – "лейденську банку."
Лейденська банка представляла собою закриту і наповнену водою скляну банку, обклеєну ззовні і всередині фольгою. Крізь кришку в банці був запханий металічний стержень. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікро кулона. Винайдення лейденської банки стимулювало до вивчення електрики, а саме його швидкість, розподіл і електропровідні властивості деяких матеріалів. Звідти вияснили що вода і метали найкращі провідники електрики. Завдяки лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру.
|
Характеристики конденсаторів.
Основні параметри
1. Ємкість. Основною характеристикою конденсатора являється його електрична ємність (точніше номінальна ємність), яка визначає його заряд в залежності від напруги на обкладках (q = CU). Типове значення ємності конденсаторів становлять від одиниці піко фарад до сотень мікрофарад.Але і існують конденсатори з ємністю до десятків фарад.
2. Питома ємність. Це є відношення ємності до об’єму (або маси) діелектрика. Максимальне значення питомої ємності досягається при мінімальній товщині діелектрика, однак при цьому зменшується його напруга пробою.
3. Номінальна напруга. Це значення напруги яка зазначена на конденсаторі, при якому він може апрацювати в заданих умовах протягом строку служби з збереженням параметрів в допустимих границях.
Номінальна напруга залежить від конструкцій конденсатора і властивостей прийнятих матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинна перевищувати номінального. Для багатьох конденсаторів з збільшенням температури гранична напруга знижується.
4. Полярність Багато конденсаторів з оксидним діелектриком (електролітичні) функціонують тільки при коректній полярності напруги із-за хімічних особливостей взаємодії електроліта з діелектриком. При зворотній полярності напруги, електролітичні конденсатори зазвичай виходять з ладу через хімічне руйнуванням діелектрика, з послідуючим збільшенням струму, вскіпанням електроліту в середині, і як наслідок з можливістю взриву корпуса.
Це доволі поширене явище. Основною причиною взриву являється перегрів конденсатора, в результаті старіння. Для зменшення пошкодження других деталей і травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємкості встановлюють клапан або виконують надсічку на корпусі. При підвищенні внутрішнього тиску відкривається клапан або корпус руйнується на надсічці, електроліт що впарувався виходить у вигляді їдкого газу і тиск спадає без взриву.
Класифікація конденсаторів.
За видом діелектрика конденсатори поділяють на п´ять груп:
1) з газоподібним діалектриком (повітряні, вакуумні, газонаповнені).
2) з рідкім діалектриком.
3) з твердим неорганічним діалектриком
(керамічні, склокерамічні, склоемалеві, склоплівкові, слюдяні).
4) з твердим органічним діалектриком
(паперові, фторопластові, поліетиленфтоларні).
5) з Оксидним діалектриком
(електролітичні, оксиднонапівпровідникові).
Обкладки виконують з використанням алюмінію,титану, ніобію, танталу.
В конденсаторах виникають електричні та акустичні шуми. Акустичні шуми обумовлені вібрацією обкладок під дією колонівських та електродинамічних сил.
Електричні шуми виникають в результаті місцевих розрядів, стрибкоподібних змін в ємності та механічних впливів.
Повне позначення конденсатора складається з чотирьох елементів.
Наприклад: К10 – 25 – 100 пФ ± 10% М47 – Нм – В
Перший елемент – скорочене позначення (К10 – 25).
Другий елемент – основні параметри (100 пФ номінальна ємність; ± 10% - відхилення, М47 – група по теплоій ємності ТКЄ,
Нм – відсутність мерехтіння).
Третій елемент – кліматичне виконання
(В-кліматичне, Т-тропічне).
Скорочене позначення складається з трьох елементів:
1) буква, що характеризує підклас (К-постійної ємності,
КТ-підстроювальний, КП-змінної ємності, КС-конденсаторний збір).
2) цифра, що характеризує тип діелектрика.
3) порядковий номер розробки.
4) Для позначення номінальної ємності допустимого відхилення та групи температурної стабільності застосовують кодоване позначення.
Букви:
P - 10-12
n - 10-9
µ - 10-6
m - 10-3
F - 1
За позначенням ємності слідує буква, що характеризує допустиме відхилення.
Основні параметри конденсаторів
1. Номінальна ємність.
2. Допустиме відхилення ємності.
3. Тангенс кута втрат.
4. Струм втрат.
5. Опір ізоляції.
6. Температурний коефіцієнт ємності (ТК).
7. Номінальна напруга.
В електроніці використовують також нелінійні конденсатори, в яких ємність залежить від напруженості ЕП і вних статичне значення ємності та диференціалу ємність мають різні значення.
Нелінійні конденсатори, виконані на основі сегнетоелектриків, одержали назву варикондів, а виконані на основі р-п переходів називають варикапами. Використовують їх для настроювання резонансних контурів на частоту.
Позначення конденсаторів на схемі
а – постійний
б – електролітичний
в – регульований
г – підстроювальний
д – вариконд.
Застосування конденсаторів:
Конденсатори знаходять застосування в всіх областях електротехніки. При швидкому розряді конденсатора можна отримати імпульс великої потужності, наприклад в фотовспишках, імпульсних лазерах з оптичною накачкою. Так як конденсатор здатний довгий час зберігати заряд, то його можна використовувати в якості елемента пам'яті або прилад для збереження електричної енергії. В промисловій електротехніці конденсатори використовуються для компенсації реактивної потужності і фільтрах вищих гармонік.
Резистори
Резистор (англ. resistor, от лат. resisto —опираюсь) – пасивний елемент електричної ланки, в ідеалі характеризується лише опором електричному струму, тобто для ідеального резистора в любий момент часу повинен виконуватись закон Ома: моментальне значення напруги на резисторі пропорційне струму який проходит крізь нього.
Резистори – це найбільш розповсюджений компонент електронної апаратури, за допомогою якого здійснюються розподіли регулювання електричної енергії між колами та елементами схем.
За призначенням резистори поділяються на:
- загального призначення (номінали 1…10 М Ом, номінальні потужності розсіювання до 100 Вт);
- спеціального призначення:
а) високоомні (від 10 М Ом до сотеньТ Ом робоча напруга сотні В);
б) високовольтні (опір до 10 Ом, робоча напруга 1 – десятки кВ);
в) високочастотні (малі власне ємність та індуктивність);
г) прецизійні (допуск від 0,001 до 1%, потужності до 2 Вт).
Змінні резистори поділяються на: підстроювальні та регулювальні.
Підстроювальні мають невелику стійкість (до 1000 циклів переміщення).
Провідний елемент резистора виконують у вигляді плівки, або дротини, або об'ємної конструкції.
За матеріалом провідного елемента резистори поділяються на:
- дротяні;
- недротові;
- металофольгові.
У дротяних та металофольгових резисторах використовують манганін та ніхром.
Недротяні резистори поділяються на групи:
а) вуглицеві та боровуглицеві;
б) метало діелектричні і металоплівкові та металооксидні;
в) напівпровідникові.
Резистори бувають корпусні та безкорпусні. Корпусні мають два гнучких виводи та нанесення маркування.
Безкорпусні мають форму бруска із залуженими кінцями.
Використання без корпусних резисторів дозволяє збільшити концентрацію елементів на поверхні друкованої плати.
Будь-який резистор має теплові шуми які з'являються внаслідок теплових рухів носіїв зарядів всередині твердого тіла. Їхню середню потужність визначають за формулою Найгліста
Pш = 4 k T∆F
∆F – смуга частот, в якій вимір шуми.
k – стала Больцмана.
Маркування резисторів
Номінальний опір резистора повинен відповідати із шести рядів стандарту: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192.
Значення опору знаходять множенням або діленням елемента ряду на 10n, де n – ціле число або 0.
Ряд Е6 містить числа: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 3,7; 6,8.
Скорочене умовне позначення склад з трьох елементів:
- буква або сполучення букв, що позначають підклас резистора (Р – постійні резистори, РП – змінні резистори, НР – набір резисторів;
- цифра (1 – недротяні резистори, 2 – дротяні);
- цифра, що позначає реєстраційний номер наприклад. Р1 – 26 – постійний не дротовий резистор.
Повне позначення номінального опору складалося зі значення номінального опору і позначення одиниці вимірювання.
Кодоване позначення складу з трьох або чотирьох знаків, що включають одну букву і дві або три цифри. Буква позначає множник, на який множиться числове значення:
R – 1; K – 103; M – 106; G – 109 ; T – 1012
Основні параметри резисторів
1. Номінальний опір.
2. Відхилення опору.
3. Номінальна потужність розсіювання.
4. Максимальна робоча напруга.
5. Температурний коефіцієнт опору.
6. Рівень власних шумів Д, мкВ/В
Промисловість випускає на практиці крім лінійних, використань термозалежні (терморезистори) та нелінійні (варистори). Терморезистори виготовляються з металу (Cu або Pt) або на основі напівпровідників.
Характеристика напівпровідникових терморезисторів описується рівнянням: R (t) = R(T0)
В – постійний коефіцієнт;
T0 – стандартна ремпература 293 К.
Випускають терморезистори, які мають спеціальний підігрівач, який електрично ізольований. Вони називаються підігрівними і використовуються в АСУ температури та у вимірювальних системах для термокомпенсації.
Варистори виготовляють з карбіду кремнію Si C2. Варистори які мають ділянку з негативним диферену. опорам називаються негісторами.
Використовують веристори для стабілізації напруги.
До спеціального типу відносять тензорезистори, їх опір залежить від значення механічної напруженості в ньому. Виготовляють із тонкої констанової плівки у вигляді зигзагу або з напівпровідника.
Тензорезистор має форму тонкої плівки і наклеюється на чутливий елемент (валка, мембрана, сейфон). Використовується в елементах вимірювання сили і тиску.
Позначення резисторів на схемах
а – постійний резистор;
б – підстроювальний;
в – регулювальний;
г – терморезистор;
д – варистор.
Питання для самоконтролю:
- Що таке конденсатор?
- Назвіть основні параметри конденсаторів?
- Застосування конденсаторів?
- Що такерезистор?
- Назвіть основні параметри резисторів?
- Застосуваннярезисторів?
Лекція №3
ТЕМА: Напівпровідники, електронна структура, п-р перехід.
План
1. Поняття про напівпровідники.
2. Структура та властивості р-п -переходу.
3. Власна та домішкова провідність.
4. Напівпровідники п- та р- типу
Елементною базою сучасної електроніки є напівпровідникові прилади і напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Всі вони виконуються на основі напівпровідників, тому важливо розуміти механізми їх провідності.
Напівпровідниками називають клас матеріалів, які за своєю електропровідністю (102...10-8 см/ м) займають проміжне місце між металами і діелектриками. Характерним для напівпровідників є збільшення електропровідності при зростанні температури. Ширина забороненої зони в напівпровідниках не перевищує 3 еВ.
Типовими напівпровідниками є кремній, германій і селен. До напівпровідників належать також деякі сполуки типу арсенід галію, карбіт кремнію, сульфід кадмію і інші.
Кремній 
і германій 
належать до четвертої групи елементів таблиці Менделєєва і мають кристалічну структуру. Атоми елементів розташовані у вузлах кристалічної решітки. Зв’язок між сусідніми атомами здійснюється двома усуспільненими електронами (по одному від кожного атома). Такий зв’язок називають двовалентним або ковалентним (рис.2.1,а).
|
Рис.
1.Сктруктура напівпровідникового кремнію: а - чистого
б - з донорною домішкою, в - з акцепторною домішкою.
Під дією зовнішніх факторів (температури, опромінення і інших) деякі електрони одержують енергію, достатню для звільнення від ковалентного зв’язку, і можуть служити носіями струму. При переході електрона в зону провідності на його місці залишається нескомпенсований додатний заряд, який називають діркою. На вакантне місце дірки може перескочити валентний електрон з іншого атома, тоді дірка виникає в ньому. Це еквівалентно переміщенню додатного заряду з величиною, рівною заряду електрона. Процес утворення пари електрон-дірка називають генерацією носіїв, а зворотний - рекомбінацією. Енергія, яка вивільняється при рекомбінації електрона і дірки, може випромінюватись у вигляді 
-квантів або передаватися коливанням гратки.
Провідність чистих (бездомішкових) напівпровідників називається власною. Вона складається з електронної провідності (провідності n-типу), зумовленої впорядкованим рухом вільних електронів, і діркової провідності (провідності р-типу), яка зв’язана з направленим переміщенням дірок. В основі направленого переміщення дірок під дією зовнішнього електричного поля лежать “перескоки” електронів від атома до атома проти напрямку поля. Цей рух відбувається з меншою швидкістю, ніж рух вільних електронів, тому рухомість дірок менша.
Концентрація дірок і електронів у чистому напівпровіднику однакова. Добитись переважаючої провідності р- чи n-типу можна шляхом легування чистого напівпровідника, тобто введенням домішок атомів з іншою валентністю. Провідність легованих напівпровідників називають домішковою. Напівпровідники з переважаючою електронною провідністю називаються напівпровідниками n-типу. Електронна провідність зумовлюється домішками елементів п’ятої групи таблиці Менделєєва, які називають донорними. Механізм виникнення провідності n-типу пояснюється тим, що при заміщенні атома кремнію у вузлі решітки на п’ятиелементний атом домішки, наприклад, атом миш’яку 
, чотири валентні електрони домішки вступають в ковалентні зв’язки, а п’ятий надлишковий залишається вільним (рис.2.1,б). Якщо на місце атома напівпровідника помістити атом елемента з третьої групи, наприклад, атом індію 
, то три його валентні електрони вступлять у ковалентний зв’язок, а в одному місці залишиться дірка (рис.2.1,в). Домішки, які спричиняють провідність р-типу, називають акцепторними, а напівпровідники з таким типом домішок - напівпровідниками р-типу.
У більшості напівпровідникових приладів використовуються властивості електронно-діркового переходу. Електронно-дірковим переходом називають вузьку (декілька мікронів) область, збіднену вільними носіями, яка виникає на межі областей з різним типом провідності. Виникнення р-n переходу зумовлено градієнтом концентрації носіїв в приграничних областях (рис.2.2,а). В результаті дифузії електрони з n-області переходять в р-область, що призводить появу нескомпенсованих додатних зарядів атомів донорної домішки в n-області та від’ємних зарядів у р-області. Аналогічно, перехід дірок з р-області в n-область викликає появу від’ємних зарядів атомів акцепторної домішки в р-області і додатних зарядів в n-області. Таким чином, на границі областей n- і р-типу виникають два шари об’ємних нерухомих зарядів - подвійний запірний шар. Електричне поле, яке створюють заряди запірного шару, протидіє подальшому руху носіїв через перехід. При цьому встановлюється динамічна рівновага: частина носіїв покидає перехід, а їх місце займає така ж кількість інших носіїв.
а) б)
Рис. 2.Структура p-n-переходу (а) та розподіл
електричного поля і потенціалу (б).
Розподіл електричного поля і потенціальна діаграма p-n-переходу приведені на рис.2.1, б. Перепад потенціалів, рівний контактній різниці потенціалів, називають потенціальним бар’єром, так як він перешкоджує руху основних носіїв. Разом з тим поле переходу є прискорюючим для неосновних носіїв: дірок з n-області і електронів з р-області. Концентрації неосновних носіїв невеликі.
Електронно-дірковий перехід отримують в пластинках кристалічного напівпровідника методом вплавлення відповідних домішок або їх дифузії при високих температурах.
Властивості p-n переходу залежать від величини і знаку зовнішнього прикладеного поля. Розрізняють пряме і обернене ввімкнення переходу. При прямому ввімкненні (прямому зміщенні) переходу позитивний полюс джерела живлення під’єднують до р-області, а негативний - до n-області напівпровідника (рис.2.3, а) У цьому стані зовнішнє поле направлено проти внутрішнього поля переходу, тому потенціальний бар’єр знижується і основні носії отримують можливість вільно рухатись через перехід, створюючи прямий струм. Зі збільшенням прямої напруги прямий струм швидко зростає, так як концентрація основних носіїв велика і може перевершити максимально допустиме значення. У відкритому стані спад напруги на p-n переході невеликий і складає 0.6...0.8 V.
а) б)
Рис.3. Пряме (а) і зворотне (б) ввімкнення переходу.
При оберненому включенні (оберненому зміщенні) p-n-переходу поле, створене джерелом живлення, співпадає з полем переходу (рис.2.3, б). Потенціальний бар’єр між р- і n-областями зростає. Під дією зовнішнього поля основні носії відтягуються від приконтактних шарів і ширина p-n-переходу збільшується. При оберненій напрузі зміщення перехід закривається і рух основних носіїв практично припиняється, при цьому перехід залишається відкритим для неосновних носіїв. Рухаючись через перехід, неосновні носії створюють невеликий зворотний струм. Відзначимо також, що рух неосновних носіїв через перехід приводить до зниження потенціального бар’єру. При зростанні зворотної напруги зворотний струм швидко досягає насичення і майже не змінюється. Коли зворотна напруга досягає критичного значення, розпочинаються процеси іонізації, що призводить до різкого зростання зворотного струму - наступає електричний пробій. Електричний пробій може перейти у тепловий (незворотний), при якому перехід руйнується.
Властивості p-n переходу при прикладенні зовнішньої напруги визначаються його вольт амперною характеристикою (рис.4.)
З вольт амперної характеристики видно, що p-n перехід має вентильні властивості, тобто пропускає електричний струм лише в одному напрямку. Крім цього, у закритому стані p-n- перехід володіє електричною ємністю. Його можна розглядати як своєрідний плоский конденсатор, де діелектриком є область закритого p-n-переходу. В сильно легованих напівпровідниках в області p-n-переходу виникає квантово-механічний тунельний ефект, який полягає у тому, що електрони можуть проходити потенціальний бар’єр без втрати енергії. При цьому на прямій вітці вольт амперної характеристики спостерігається ділянка з від’ємним диференціальним опором.
Рис.4. Вольт амперна характеристика p-n переходу.
Властивості електронно-діркового переходу використовуються в напівпровідникових діодах. Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n-переходом і двома зовнішніми виводами. Серед напівпровідникових діодів найбільш поширені випрямні діоди, призначені для роботи у випрямлячах змінного струму.
p-n перехід - область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.
Напівпровідник p-типу - напівпровідник, в якому основиними носіями заряду є дірки.
Напівпровідники p-типу отримують легуванням власних напівпровідників акцепторами.
Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.
Легування – збільшення кількості вільних носіїв заряду для збільшення провідносі(зменшення питомого опору для напівпровідника).
Власний напівпровідник - напівпровідник з дуже малою концентрацією домішок.
Акцептор електрона (акцептор електронів, електронний акцептор, акцептор) — хімічна сполука, група або атом, яка приймає електрон від іншої сполуки, групи, атому або кристалу.
Носії заряду - загальний термін для позначення часток чи квазічасток, які дають вклад у електричний струм.
Носіями заряду можуть бути електрони, дірки, катіони, аніони тощо, в залежності від середовища, в якому проходить струм.
напівпровідники - електрони й дірки;
метали й вакуумні прилади - електрони;
електроліти й суперіоніки - йони;
плазма - електрони та йони.
Важливими характеристиками носіїв заряду є рухливість і коефіцієнт дифузії.
Електрон (англ. electron, нім. Elektron, рос. электрон) - стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Має електричний заряд (е= — 1,6021892(46)×10-19 Кл) і масу (маса спокою дорівнює 9,109554(906)×10−31 кг).
Ді́рка — квазічастинка у напівпровіднику, яка за своєю природою відповідає відсутності електрона у валентній зоні.
Позначається зазвичай латинською літерою h
Дірка має додатний заряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. Спін дірки визначається спіном електронів у валентній зоні.
У напівпровідниках p-типу дірки є основним носієм заряду.
Дірки зазвичай характеризуються ефективною масою. Для низки напівпровідників валентна зона вироджена в центрі зони Брілюена, хоча при більших квазі-імпульсах це виродження зникає. Тому існує кілька валентних зон і кілька типів дірок, які відрізняються ефективоною масою. Ці дірки називають, відповідно, легкими дірками й важкими дірками.
Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.
Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.
Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.
Здебільшого легування проводиться до рівня 1013 - 1019 донорів на см3. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.
Електро́н прові́дності — від'ємно заряджена квазічастинка напівпровіднику, електронний стан у зоні провідності.
Застосування
На властивостях p-n переходів ґрунтується робота численних напівпровідникових приладів: діодів, транзисторів, сонячних елементів, світлодіодів тощо.
Питання для самоконтролю:
1. Який механізм винекнення p-n - переходу?
2. Які властивості p-n - переходу?
3. Яке призначення і структура випрямлячів?
4. Що таке власна провідність?
5. Що таке домішкова провідність? 6. Що таке напівпровідник п - та р типу?
Лекція №4
ТЕМА: Напівпровідникові прилади., принцип дії, основні характеристики,
План:
1. Напівпровідникові діоди
1.1. р-п перехід.
1.2..технологія виготовлення.
1.3. область застосування
2. Види напівпровідникових діодів..
2.1.випрямні діоди
2.2.універсальні і імпульсні діоди.
2.3.лавинні діоди
На сьогоднішній день для випрямлення електричного струму в радіосхемах поряд із двухелектродними лампами все більше застосовують напівпровідникові діоди, тому що вони володіють рядом переваг.
В електронній лампі носії заряду електрони виникають за рахунок нагрівання катода. У p-n переході носії заряду утворюються при введенні в кристал акцепторної чи донорної домішки. Таким чином, тут відпадає необхідність джерела енергії для одержання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, виходить за рахунок цього, виявляється дуже значною. Крім того, напівпровідникові випрямувачі при тих же значеннях випрямленого струму більш мініатюрні, чим лампові.
Напівпровідникові діоди виготовляють з германія, кремнію, селену та інших речовин.
Розглянемо як створюється p-n перехід при використанні донорного домішку, цей перехід не вдається одержати шляхом механічного з’єднання двох напівпровідників різних типів, тому що при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Ця товщина повинна бути не більше межатомних відстаней. По цьому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Унаслідок дифузії атомів індію в глиб монокристала германія в поверхні германія утворюється область і провідність р-типу. Інша частина зразка германію, у якій атоми індія не проникнули, як і раніше має провідність n-типу. Між областями виникає p-n перехід. В напівпровідниковому діоді германій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показане пряме (б) і зворотне (в) під’єднання діода.
Вольт-Амперна характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.
Замінили лампи, дуже широко використовуються в техніки, в основному для випрямувачів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.
Технологія виготовлення діода така. На поверхні квадратної пластинки площею 2-4 см2 і товщиною в невелику частку міліметра, вирізаної з кристалу напівпровідника з електронною провідністю, розплавляють шматочок індію. Індій міцно сплавляється з пластинкою. При цьому атоми індію проникають (дифузують) у товщу пластинки, утворюють в ній область з перевагою дирочної провідності. Виходить напівпровідниковий прилад із двома областями різного типу провідності, а між ними p-n-перехід. Чим тонша пластинка напівпровідника, тим менший опір діода в прямому напрямку, тим більше виправлений діодом струм. Контактами діода служать крапелька індію і металевий диск чи стрижень з вивідними провідниками
Після зборки транзистора його монтують у корпус, приєднують до електричного виводу до контактних пластин кристала і виводу корпуса і герметизують корпус.
Область застосування
Діоди мають велику надійність, але границя їх застосування від –70 до 125 С. Оскільки у крапкового діода площа зіткнення дуже мала, тому струми, що можуть випрямляти такі діоди не більше 10-15 ма. І їх використовують в основному для модуляції коливань високої частоти і для вимірювальних приладів. Для будь-якого діода існують деякі гранично припустимі межі прямий і зворотний токи, що залежать від прямої і зворотної напруги й визначаючи його випрямувальні і міцності властивості.
Види напівпровідникових діодів
Класифікація сучасних напівпровідникових діодів по їхньому призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам, вихідному напівпровідниковому матеріалу знаходить відображення в системі умовних позначок їхніх типів і типономіналів.
В міру виникнення нових видів і класифікаційних груп приладів розвивалася й удосконалювалася система їхніх умовних позначок, що з 1964 р. тричі перетерплювала зміни.
В даний час в експлуатації знаходиться велике число діодів, що мають різні позначення і маркірування, хоча їхнє функціональне позначення однакове. Необхідно відзначити, що із самого початку розробок і виробництва діодів склалися дві системи їхніх умовних позначок, що з визначеними змінами діють і в даний час. Одна система поширюється на діоди малої потужності, застосовувана (в основному) у різних ланцюгах радіоелектронної апаратури, інша - на силові діоди, середній струм яких перевищує 10 А, використовувані в перетворювачах електроенергії.
Випрямні діоди
Діоди, використовувані в електричних пристроях для перетворення струму в струм однієї полярності називаються випрямними. По вольтамперной характеристиці (ВАХ) видно, що значення прямого і зворотного струмів відрізняються на кілька порядків, а пряме спадання напруги не перевищує одиниць вольтів у порівнянні зі зворотною напругою, що може складати сотні і більш вольтів. Тому діоди мають однобічну провідність, що дозволяє використовувати їх як випрямні елементи. З малюнка також випливає, що з ростом температури зворотний струм зростає. У більшості діодів цей струм при температурі 125оС може збільшиться на 2-3 порядку в порівнянні зі струмом при 25оС.
Зі збільшенням зворотної напруги зворотний струм також росте, але повільніше, ніж з підвищенням температури. Лише при подачі зворотної напруги, більше нормованого, відбувається різке його збільшення, що може привести до пробою p - n переходу.
Пряма напруга при малих прямих струмах, коли переважає падіння на переході діода, з ростом температури зменшується. При великих струмах, коли переважає падіння на базі діода, залежність прямої напруги від температури стає позитивною. Крапка, у якій відсутня залежність прямого спадання напруги від чи температури ця напруга змінює знак, називається крапкою інверсії.
У більшості діодів малої і середньої потужності припустимий прямий струм, як правило, не перевищує крапку інверсії, а в силових могутніх діодів припустимий струм може бути вище цієї точки.
