Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 3

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Якщо напруга прямо­го вмикання U <j , че-

пр к

рез перехід, опір якого ве­ликий, тече малий струм. Як тільки зі збільшенням останнє досягне зна-U =j , запірні

пр к

властивості p-n переходу зникають, і струм через

Unp

U

пр

чення

Рис. 1.7 - Теоретична ВАХ p-n переходу перехід визначається лише провідністю p- і n- шарів.

Таким чином, p-n перехід має вентильні властивості (від німецько­го слова ventil - клапан), тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотному - значний.

При зростанні від нуля зворотної напруги Ux, швидкість руху не­основних носіїв через перехід зростає. При U3=Un швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбува­ється лавиноподібний зріст зворотного струму. Це явище називається електричним пробоєм p-n переходу, а U - напругою пробою. Якщопри цьому p-n перехід ефективно охолоджується, різке зростання по­тужності, що в ньому виділяється (U3eІ), не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні U3e запірні властивості p-n переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при ство­ренні такого НП приладу як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зрос­тає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується також за рахунок теплової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепло­вий, коли матеріал розплавляється і p-n перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка 3 ВАХ).

Отже, p-n перехід - це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її опір нескінченний. Тому p-n пере­хід ще називають запірним шаром.

Насамкінець зазначимо властивості p-n переходу, що (в основному) використовуються при побудові електронних НП приладів:

1) одностороння провідність (вентильні властивості);

2) дуже великий опір зони p-n переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

3) зміна ширини p-n переходу зі зміною величини зворотної напруги (як результат - зміна ємності p-n переходу);

4) стабільність напруги на p-n переході у режимі електричного пробою;

5) наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в шарах p- і n-типу.

Q Контрольні запитання

1. Поясніть, що таке напівпровідники (чисті і домішкові).

2. Що таке p-n перехід?

3. Що таке пряме і зворотне вмикання p-n переходу? Поясніть поведінку p-n переходу при прямому і зворотному вмиканні.

4. Що таке ВАХ і який вигляд вона має у p-n переходу?

5. Вкажіть властивості p-n переходу, які використовують при побудові напівпровідникових електронних приладів.

РОЗДІЛ 2

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА ЇХ СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

2.1. Класифікація напівпровідникових приладів

НП прилади поділяються на такі групи:

1) НП резистори;

2) НП діоди;

3) біполярні транзистори;

4) уніполярні (польові) транзистори;

5) тиристори.

2.2. Напівпровідникові резистори

НП резистори мають два вихідних електроди. Вони поділяються на лінійні та нелінійні.

У лінійних резисторів питомий електричний опір не залежить від прикладеної напруги. їх умовне позначення наведене на рис. 2.1,а. Вони виготовляються на основі НПр- або n-типу і використовуються в інтег­ральних мікросхемах.

а) б) в) г)

Рис. 2.1 - Умовні позначення лінійного резистора (а), варистора (б), терморезистора (в), фоторезистора (г)

Нелінійні резистори (варистори) - це такі НП резистори, у яких питомий опір залежить від прикладеної напруги. їхнє умовне позначен­ня наведене на рис. 2.1,б. Варистор має нелінійну симетричну ВАХ, яку показано на рис. 2.2.

Один з основних параметрів варистора - коефіцієнт нелінійності 1, який визначається відношенням статичного опору варистора Rcm дойого динамічного опору Rd:

I, mA к

Rcm    U dU

=-= —:-= const, (2.1)

Rd    I dl

-60 -40 -20 ^-1-1_

U, B

де U, I - напруга на варисторі та струм

через нього.

20 40

Зазвичай l = 2 , 6.

Варистори використовують як об­межувачі напруги для захисту НП при­ладів від короткочасних перенапруг.

Також існують НП резистори, опір       Рис 2.2  ВАХ ваРистоРа

яких різко залежить від температури навколишнього середовища. Це - терморезистори. їхнє умовне позначення наведене на рис. 2.1,в.

Терморезистори поділяються на термістори, у яких із зростанням температури опір зменшується, та позистори, у яких із зростанням температури опір зростає (виконуються на основі сегнетоелектриків).

Залежність опору терморезистора від температури визначається експоненційним законом:

де k, b - коефіцієнти, залежні від конструктивних розмірів та концент­рації домішок у НП відповідно; Т - абсолютна температура.

Терморезистори (термістори, позистори) використовуються як дат-

чики температури у системах регулювання температури, теплового

захисту, протипожежної сигналізації, для термостабілізації режимів ро­боти електронних пристроїв.

Потужні позистори дозволяють забезпечувати захист електрооблад­нання від струмів перевантаження (замість теплових реле).

У фоторезисторів (рис. 2.1,г) опір залежить від ступеню освітлення. їх, в основному, застосовують у пристроях автоматики.

Rn = ke*'T, (2.2)

2.3. Напівпровідникові діоди

Напівпровідникові діоди - це НП прилади, виготовлені на основі дво­шарових НП структур і які використовують властивості p-n переходу.

Широко розповсюджені випрямні діоди, дія яких базується на викорис­танні вентильних властивостей p-n переходу.

Структура та умовне позначення діода, його гідравлічна модель, а також ВАХ потужного випрямного діода наведені на рис. 2.3.

а) в)

Рис. 2.3 - Структура та умовне позначення (а), гідравлічна модель (б) і ВАХ (в) випрямного діода

Гідравлічний пружинний клапан (вентиль) може слугувати гідравліч­ною моделлю діода. Клапан має властивість одностороннього про­пускання струменю рідини у залежності від напрямку тиску.

Випрямні діоди призначені для випрямлення змінного струму низької частоти.

Основними параметрами випрямних діодів є:

- граничний прямий струм діода І - максимально допустиме се­реднє значення струму через діод у прямому напрямку за визначених умов охолодження, у сучасних діодів І = (0,1 , 3200) А;

- максимально допустимий прямий струм діода (імпульсний) І тах, становить (10 , 50)І;

- прямий спад напруги Unp, тобто середнє значення напруги на діоді при граничному прямому струмі І , для діодів з кремнію становить (0,6 . 1,0) В;

- максимально допустима зворотна напруга Ux тах, що дорівнює максимально допустимому амплітудному значенню зворотної напру­ги, яке не призводить до виходу з ладу приладу за визначених умов охолодження, U     = (50 . 10000) В.

7      зв max       4 * 7

Виготовляються вип­рямні діоди переважно із кремнію (у перспективі -із арсеніду галію, як більш термостійкого).

Найпростіша схема випрямлення напруги змінного струму із за­стосуванням випрям-

VD

Рис. 2.4 - Найпростіша схема випрямлення напруги

ного діода наведена на рис. 2.4. Тут діод є автоматичним ключем, замкнений чи розімкнений стан якого визначається полярністю при­кладеної до нього напруги.

Діодами Шоттки називають діоди, у яких використовується не p-n перехід, а перехід між напівпровідником і металом (молібденом або алюмінієм). Перехід, аналогічний до p-n переходу, виникає тут, наприклад, для напівпровідника n-типу за рахунок переміщення елек­тронів із напівпровідника у метал. Іони донорної домішки створюють у приграничному шарі позитивний потенціал, через що виникає кон­тактна різниця потенціалів. При подачі зовнішньої напруги такий пе­рехід веде себе аналогічно до p-n переходу. Але пряме падіння на­пруги на ньому значно менше, оскільки одним з матеріалів переходу є метал з малим опором.

За рахунок відсутності проникнення дірок з металу у напівпровідник швидкодія діодів Шоттки також значно вища, ніж у звичайних діодів, бо відсутнє розсмоктування носіїв у металі при зміні полярності зовні­шньої наруги. Тому вони можуть працювати на частотах до десятків гігагерц.

Завдяки меншій прямій напрузі (близько 0,3 В) к.к.д. приладу при пропусканні великих струмів (у силових вентилів) значно вищий, ніж у звичайних кремнієвих напівпровідникових діодів.

Діоди Шоттки знаходять широке розповсюдження як у пристроях інформаційної електроніки, так і у силових.

НП діод, на якому напруга в зоні електричного пробою майже не залежить від струму, називається стабілітроном. Як постає з ВАХ, наведеної на рис. 2.5, у зоні пробою напруга на стабілітроні майже не залежить від струму через нього / .

VD

іпр, А

Ucm, В -8

10 -

■ 20

40

20

Unp, В

—І—

0,4

0,8

Стабілітрони викорис­товують для стабілізації напруги. Щоб запобігти тепловому пробою, їхня конструкція забезпечує ефективне відведення тепла від кристалу.

Основними параметра­ми стабілітрона є:

- напруга стабілізації Ucm, що становить від 1 до і00о В;

- динамічний опір на ділянці стабілізації (ха-

/ст, тА

Рис. 2.5 - Умовне позначення та ВАХ стабілітрона

рактеризує зміну величини напруги на приладі зі змінами струму крізь нього)

dUcm

r =-™ , (2.3)

ro6m

I

+

VD1

dl cm

що складає від одиниць до десят­ків Ом;

- мінімальний струм стабілізації

Ucm

I

- мінімальний струм, при

Рис. 2.6 - Схема елементарного стабілізатора напруги

t'"p' МА VD

30-

20

10

Unp, В

Рис. 2.7 - Умовне позначення та ВАХ тунельного діода

cm min

якому прилад гарантовано знахо­диться в режимі стабілізації - скла­дає одиниці міліампер;

- максимальний струм стабілі­зації I     - максимально допус-

cm мах J

тимий струм через прилад, дося­гає (0,02 . 1,5) А.

Найпростіша схема стабілізації наведена на рис. 2.6.

Тунельний діод - це НП прилад, у якого специфічний тунельний ефект призводить до появи на ВАХ при прямій напрузі ділянки негативної про­відності - штрихова лінія на рис. 2.7

4

 (там же наведено умовне позначення приладу). Як робоча використо­вується пряма гілка ВАХ.

Основними параметрами тунельного діода є:

- струм піку In, що складає (0,1 , 100) мА;

- відношення струму піку I до струму западини I:

— = (5 + 20).

1з

Тунельні діоди - швидкодіючі НП прилади, що застосовуються в генераторах високочастотних коливань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.

Високочастотні діоди призначені для роботи на частотах до со­тень мегагерц, де особливе значення відіграє інерційність діода, пов'я­зана з процесами накопичення зарядів у зоні p-n переходу при відкри­ванні діода та розсмоктування зарядів при його закриванні (при утво­ренні p-n переходу, як зони, вільної від рухомих носіїв заряду). Необхі­дно також враховувати власну ємність діода, як плоскінної структури (шари НП, розділені зоною p-n переходу з великим опором, утворю­ють паразитний конденсатор). Все це призводить до того, що зі збільшен­ням частоти значення прямого і зворотного струмів через діод стають сумірними і він втрачає властивість односторонньої провідності.

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в імпульс­них пристроях. Фактично, це є різновид високочастотних діодів, бо вони також мають малу інерційність, що забезпечує малу тривалість пере­хідних процесів при замиканні та розмиканні ключа. Кінечне значення часу накопичення носіїв у зоні p-n переходу при переході діода у про­відний стан після подачі на нього прямої напруги - при замиканні клю­ча - призводить до того, що опір ключа від великого значення до мало­го змінюється не миттєво. Наслідком є затягування фронту імпульсу напруги на навантаженні. При наступній різкій подачі на діодний ключ зворотної напруги, за рахунок розсмоктування зарядів з зони p-n пере­ходу, змінюється лише напрямок протікання струму через діод. На на­вантаженні маємо викид напруги зворотної полярності з амплітудою, що дорівнює амплітуді імпульсу. І тільки через деякий час - час відновлен­ня запірних властивостей - струм спадає до нуля (вірніше - до значення теплового зворотного струму p-n переходу) - ключ розмикається.зо

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

Фотодіоди - фотоелектричні прилади з внутрішнім фотоефектом, який полягає у тому, що під дією світлової енергії відбувається іонізація атомів основної речовини та домішки. Як наслідок - струм при зворот­ному вмиканні зростає.

Світлодіоди - перетворюють енергію електричного поля в нетепло-ве оптичне випромінювання. При протіканні струму через діод з арсе­ніду галію рекомбінація носіїв заряду супроводжується не тільки виді­ленням тепла, як, наприклад, у кремнієвого діода, а ще й квантів світла.

Ці прилади струмові - для їхньої роботи необхідно задавати пев­не значення струму через прилад. Вони бувають червоного, зеле­ного, жовтого та синього свічення. Комбінація у одному приладі кри­сталів червоного, зеленого і синього свічення забезпечує отриман­ня світлодіода білого свічення. Відомий світлодіод з зеленим і чер­воним кристалами, що за різного співвідношення струмів у них за­безпечує зміну свічення від зеленого через жовтий і жовтогарячий до червоного, може бути використаний, наприклад, як індикатор на­лаштування радіоприймача.

Раніше світлодіоди використовували в основному як крапкові інди­каторні елементи. Останнім часом з'явились потужні прилади. За розмірів з сірникову головку вони мають потужність до 5 Вт за стру­му до 1,5А при прямій напрузі від 2,8 до 12 В та інтенсивності випро­мінювання до 200 лм. При цьому за ефективністю вони приблизно у п'ять разів переважають лампи розжарювання та галогенні лампи. Для потужних кольорових світлодіодів цей показник більш ніж у де­сять разів вищий, оскільки немає потреби у світлофільтрах. З удоско­наленням технології поліпшується кольоропередача, особливо у світло-діодів білого свічення.

Потужні світлодіоди застосовують в ліхтарях, світильниках, авто­мобільних фарах, світлофорах, пристроях підсвічування фасадів спо­руд, пам'ятників, фонтанів та рекламних щитів.

Звичайно ж, строк служби у світлодіодів у десятки разів довший, ніж у ламп розжарювання.

У варикапа при змінах величини зворотної напруги змінюється ємність, завдяки чому він може застосовуватися, наприклад, для авто­матичного налаштування контурів радіоприймача або телевізора на по­трібну станцію чи канал.

Умовні позначення фото-, світлодіода та варикапа наведені на рис. 2.8. VD VD

" VD

а ) б) в)

Рис. 2.8 - Умовні позначення фотодіода (а), світлодіода (б), варикапа (в)

2.4. Біполярні транзистори

2.4.1. Побудова та принцип дії транзистора

Транзистором (від TRANSfer resISTOR - такий, що перетворює опір) називається електроперетворювальний НП прилад, який має один або декілька p-n переходів, три або більше виводів і здатний підсилю­вати потужність електричного сигналу.

Дещо забігаючи наперед, розглянемо елементарні положення про­цесу підсилення потужності електричного сигналу.

У найзагальнішому вигляді для підсилення необхідна схема, наве­дена на рис. 2.9.

Вона складається з навантаження R , джерела живлення Е та деякого

І

RH

Вх. дія

І

Щ ПЕ

Е дж

Рис. 2.9 - Елементарна схема підсилення

гіпотетичного підсилюючого елемен­та ПЕ.

Малопотужна вхідна дія (Вх. дія) змінює параметри ПЕ так, що пропор­ційно їй змінюється потужність, що ви­діляється в Rh за рахунок Едж.

У якості ПЕ добре було б мати, на­приклад, електронний прилад із ВАХ, що наведені на рис. 2.10.

Із залежності I = f(Ux) - рис. 2.10,а - видно, що вона являє собою пряму, а значить, змінам вхідної напруги (вхідної дії) відповідають пропор­ційні зміни вхідного струму. Це повинно забезпечувати точне реагуван­ня ПЕ на зміни вхідної дії. Із залежності Іт = f(U ) - рис. 2.10,б -виходить, що фіксованій величині вхідної дії, яка проявляється у вигляді

Uex

Едж

Rh1

Rh2

Едж

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка