Электронные приборы и устройства

Занятие по рабочей программе №20

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.4. Электронные приборы и устройства.

1. Полупроводники: основные понятия, типы электропроводимости.

2. Полупроводниковые диоды (устройство, принцип действия, вольтамперная характеристика)

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электронные приборы и устройства.

1. Полупроводники: основные понятия, типы электропроводимости.

2. Полупроводниковые диоды (устройство, принцип действия, вольтамперная характеристика)

ПЛАН

1. Общие сведения о строении полупроводников.

2. Примесная проводимость полупроводников.

3. Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности.

4. Система обозначений полупроводниковых приборов.

1. Изложение и изучение нового материала.

1. Общие сведения о строении полупроводников

Полупроводники – материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и имеющие особенное внутреннее строение в виде кристаллической решетки.

У металлов носителями зарядов являются электроны, у полупроводников – электроны и дырки – вакантные (незанятые) места в кристаллической решетке. Число атомов (N) металла или полупроводника в 1см³ примерно 10²². Число свободных электронов (n) у металла , у полупроводников число собственных свободных электронов n_i и число дырок для германия для кремния ; т.е. у германия на (1 миллиард) атомов приходится 1 пара носителей заряда электрон-дырка.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используется германий или кремний, имеющие валентность IV, т.е. внешняя оболочка атомов германия или кремния имеет 4 валентных электрона.

Рис. 1. а) Ковалентная связь между атомами германия;

б) Плоскостная схема кристаллической решётки германия.

П

Рис. 19.1

ространственная решетка германия или кремния состоит из атомов связанных друг с другом валентными электронами. Вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам 2 валентных электрона. Такая связь называется ковалентной или парно-электронной. Такая связь является довольно устойчивой, при низких температурах полупроводники являются диэлектриками однако при повышении температуры (до комнатной) или при облучении (например светом) энергия электронов увеличивается и некоторые электроны могут разрывать ковалентную связь.

О

Рис. 19.2

бразование пары электрон-дырка называется генерацией пар носителей.

Оставшаяся после отрыва электрона дырка (вакантное место) имеет «+» заряд. Если на пути движения электронов попадается дырка, то электрон притягиваясь ее «+» зарядом занимает место этой дырки.

П

Рис. 2. Возникновение пары электрон-дырка

роцесс воссоединения пары электрон-дырка называется рекомбинацией носителей зарядов.

2. Примесная проводимость полупроводников

Так как собственная проводимость полупроводников очень мала, то для увеличения проводимости к германию добавляют примеси 5-валентные (мышьяк, сурьма, фосфор) или 3-валентные (бор, индий и галлий).

2 .1. Донорная проводимость полупроводников

Четыре электрона 5-в фосфора участвуют в создании ковалентных связей кристаллической решетки А V электрон, оказывается свободным. Пятивалентные примеси увеличивают проводимость называются донорами, а проводимость – донорной или n-типа.

Рис. 3. Возникновение примесной электронной электропроводимости

2.2. Акцепторная проводимость полупроводников

Т

Рис. 4. Возникновение примесной дырочной электропроводимости

ри электрона 3-х валентной примеси индия участвует в создании 3-ковалентных связей кристаллической решетки, а на месте 4 связей оказывается вакантное место – дырка. 3-х валентные примеси увеличивают дырочную проводимость называют акцепторами, а проводимость – акцепторной или p-типа.

3. Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.

• Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.

• Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.

• Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.

• Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Э ти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

О братное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом.

На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

П оменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Х арактеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

3.1. Виды и особенности диодов

Существуют полупроводники в зависимости от их применения и назначения. Рассмотрим основные виды диодов.

Диоды Шоттки

Эти полупроводниковые диоды имеют незначительное падение напряжения, имеют высокую скорость работы, в отличие от обычных диодов, которые не смогут заменить в действии диод Шоттки и выйдут из строя. Свое название диод имеет по изобретателю из Германии. В конструкции в качестве потенциального барьера используется переход «металл-полупроводник» вместо р-n перехода. Его допустимое напряжение при обратном подключении 1200 В. Практически они применяются в цепях низкого напряжения.

Стабилитроны

О ни предотвращают увеличение напряжения свыше допустимого значения на участке схемы, могут защищать и ограничивать схему от повышенных значений тока. Стабилитроны могут работать только на постоянном токе, поэтому при включении их в цепь соблюдение полярности является обязательным. Стабилитроны одного типа можно соединять по последовательной схеме для увеличения напряжения, либо создания делителя напряжения.

Основным свойством таких полупроводников является стабилизирующее напряжение.

Варикапы

Этот полупроводник еще называют емкостным диодом. Он изменяет значение сопротивления при изменении напряжения питания. Используется в качестве управляемого конденсатора с изменяемой емкостью. Может применяться для настраивания контуров колебаний высокой частоты.

Тиристоры

Полупроводники могут находиться в двух устойчивых положениях:

1. Закрытое (низкая проводимость).

2. Открытое (высокая проводимость).

Т о есть, он может переходить под воздействием сигнала из одного состояния в другое.

У тиристора имеется три электрода. Кроме обычных катода и анода, есть еще и электрод управления, который служит для подачи сигнала управления для перевода полупроводника в состояние включения. Современные тиристоры иностранного производства производятся в различных корпусах.

Такие полупроводники включают в схемы для регулирования мощности, плавного запуска электромоторов, подключения освещения. Тиристоры дают возможность включать большие токи, достигающие наибольшего тока 5 кА, напряжением до 5 киловольт в закрытом виде. Мощные силовые приборы на основе тиристоров используются в управляющих панелях электромоторами и других устройствах.

Симисторы

Эти полупроводники применяются в схемах, подключенных к переменному напряжению. Прибор условно состоит из двух тиристоров, подключенных встречно-параллельно, и пропускающих ток в любую сторону.

Светодиоды

Они испускают световой поток при подключении к ним напряжения, используются для создания индикации параметров, в электронных схемах, различных электронных гаджетах, дисплеях, в качестве источников света, при этом бывают многоцветными и одного цвета.

Инфракрасные диоды

Э то светодиоды, выдающие световой поток в инфракрасном спектре. Они используются для измерительных и контрольных приборов оптического вида, в пультах управления, коммутационных устройствах, линиях связи без проводов и т.д. Обозначаются на схемах как обычные светодиоды. Инфракрасные лучи не видны человеку. Их можно увидеть с помощью смартфона в камеру.

Фотодиоды

Они работают при попадании на их чувствительный элемент света, преобразуя его в электрический ток. Используются для преобразования потока света в сигнал электрического тока.

Фотодиоды обычно сравнивают по принципу работы с батареями на солнечных элементах.

3.2. Неисправности диодов

Полупроводники иногда могут выходить из строя вследствие естественного старения и амортизации внутренних материалов, либо по другим причинам:

• Пробивание перехода кристалла. Его следствием является то, что по сути полупроводник приобретает свойства обычного проводника, так как он лишен основных качеств полупроводимости и уже пропускает ток практически в любую сторону. Такая неисправность быстро обнаруживается с помощью обычного мультитестера. Измерительный прибор выдает сигнал звука и на дисплее видно значение очень малого сопротивления диода.

• Обрыв. В этом случае действует обратный процесс – полупроводник не пропускает ток ни в каком направлении, так как внутри кристалла нарушена проводимость, вследствие полного обрыва проводника, то есть, диод, по сути, стал диэлектриком. Чтобы точно выяснить обрыв, нужно применять мультиметры с исправными щупами. Иначе можно получить ложную диагностику этой неисправности. У диодов на основе сплавов эта неисправность является редкой.

• Утечка. Эта поломка возникает из-за повреждения корпуса полупроводника, вследствие чего нарушается герметичность корпуса диода, и его нормальное функционирование становится невозможным.

Пробой перехода

П ри чрезмерном повышении обратного напряжения может возникнуть пробой электронного прибора. Существуют специальные полупроводники, в которых используется это свойство, которые называются стабилитронами.

Такие неисправности возникают в случаях, когда величина обратного тока резко возрастает из-за достижения обратного напряжения чрезмерных значений, выше допустимых.

Существует несколько типов пробоя переходов:

• Тепловые пробои. Они вызываются внезапным возрастанием температуры с дальнейшим перегревом.

• Электрические пробои. Появляются от действия большого электрического тока на полупроводниковый переход.

Электрический пробой

Такой вид пробоя не является фатальным, и является обратимым процессом, так как при этом не произошло разрушения кристалла полупроводника. Поэтому при медленном снижении напряжения возможно восстановление характеристик диода и его рабочего состояния.

Такие пробои разделяют на два подвида:

• Туннельные пробои. Они возникают при протекании повышенного напряжения по узким проходам кристалла полупроводника. Это позволяет отдельным электронам проскакивать через него. Чаще всего туннельные пробои образуются в случае наличия в полупроводнике большого числа различных недопустимых примесей. При таком пробое обратный ток внезапно стремится к возрастанию, а напряжение продолжает оставаться на прежнем уровне.

• Лавинные пробои. Они могут возникнуть вследствие действия повышенных значений электрических полей, которые разгоняют электроны выше допустимой границы скорости. Поэтому они выбивают из атомов некоторое количество валентных электронов, вылетающих в область проводимости. Такой процесс происходит с лавинообразной скоростью, поэтому и получил такое название.

Тепловой пробой

Образование теплового пробоя может происходить из-за возникновения различных причин. Это может быть недостаточный отвод тепла от корпуса полупроводника, а также перегрева перехода кристалла, возникающего по причине прохождения электрического тока повышенной величины, выше допустимого.

Вследствие увеличения режима температуры в переходе полупроводника и областях, находящихся рядом, появляются такие отрицательные последствия:

• Возрастание колебания атомов, которые входят в состав материала кристалла диода.

• Залетание электронов в зону проводимости.

• Чрезмерное внезапное возрастание температуры.

• Повреждение и деформация кристаллической решетки полупроводника.

• Неисправность и выход из строя диода.

4. Система обозначений полупроводниковых приборов

Первый элемент обозначения – буква или цифра - определяет исходный материал Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, A или 3 – арсенид гелия.

Второй элемент определяет класс приборов.

Т –транзистор биполярный, Д –диоды выпрямительные, П – транзистор полевой, Ц – выпрямительные столбы и блоки, А- диод СВЧ, В - варикапы, С - стабилитроны, Н -тиристор диодный, У – тиристор триодный, Ф – фотодиоды.

Третий элемент – цифра – номер разработки. Эта цифра указывает мощность и частоту прибора:

Частота Мощность	до 9 МГЦ	до 30 МГЦ	свыше 30 МГЦ
до 0,3 Вт.	101 - 199	201 - 299	301 - 399
до 1,5 Вт.	401 - 499	501 - 599	601 - 699
свыше 1,5 Вт.	701 - 799	801 - 899	901 - 999

Четвертый элемент – буква – разновидность полупроводникового прибора данного типа.

Контрольные вопросы.

1. Что называют полупроводниками?

2. Какие материалы используют чаще всего при изготовлении полупроводниковых приборов?

3. Какое внутреннее строение германия или кремния?

4. Какие носители заряда существуют в полупроводниках?

5. Что называется генерацией пара носителей заряда?

6. Что называется рекомбинацией пара носителей заряда?

7. Что называется примесной проводимостью?

8. Какие виды примесной проводимости вы знаете?

9. Что называют донорами?

10. Что называют акцепторами?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить краткий конспект лекции.

2. Ответить письменно на контрольные вопросы и на ТЕСТ (см. Приложение 1).

3. Подготовить презентацию (см. Приложение 2) на тему: Транзисторы, тиристоры: их свойства и схемы включения.

4. Конспектировать: Фотодиоды, фототранзисторы: их свойства и схемы включения.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков

Приложение 1

ТЕСТ

1. Где располагается энергетическая зона атомов фосфора, введенных в качестве примеси в кремний?

1. Немного выше валентной зоны

2. Немного ниже зоны проводимости

3. Немного выше зоны проводимости

2. Где располагается энергетическая зона атомов галлия, введенных в качестве примеси в германий?

1. Немного выше валентной зоны

2. Немного ниже зоны проводимости

3. Немного выше зоны проводимости

3. Где образуются свободные носители заряда при введении сурьмы в качестве примеси в германий?

1. Электроны - в зоне проводимости, дырки - в примесной зоне

2. Электроны - в эоне проводимости, дырки - в валентной зоне

3. Электроны - в примесной зоне, дырки - в зоне проводимости

4. Где образуются свободные носители заряда при введении бора в качестве примеси в кремний?

1. Электроны - в эссе проводимости, дырки - в валентной зоне

2. Электроны в примесной зоне, дыркн - в валентной

3. Электроны - в валентной зоне, дырки - в примесной

5. K какому Типу относятся: 1) кристалл германия с примесью сурьмы; 2) кристалл кремния с примесью бора?

1. 1) К п - типу; 2) К п - типу

2. 1) К п - типу; 2) К р - типу

3. 1) К р - типу; 2) К п - типу

6. В двух прижатых друг к другу кристаллах разного типа электроны диффундируют слева направо, дырки - справа налево. Как рас положены кристаллы?

1. Слева – р - типа, справа – п - типа

2. Слева – п - типа, справа – р - типа

7. Куда направлена напряженность электрического поля, возникшего в обеднённом слое на границе кристаллов в рассмотренном выше случае?

1. Справа налево

2. Слева направо

8. Клк изменяется ширина обедненного слоя с увеличением концентрации примесей?

1. Не меняется

2. Уменьшается

3. Увеличивается

9. К кристаллу р - типа подключён плюс источника напряжения, кристаллу п - типа - минус. Какие носители заряда обеспечивают прохождение тока через р - п - переход?

1. Основные

2. Неосновные

Приложение 2

Презентация: алгоритм и рекомендации по созданию презентации

Алгоритм создания презентации

1 этап – определение цели презентации

2 этап – подробное раскрытие информации,

3 этап - основные тезисы, выводы.

Следует использовать 10-15 слайдов. При этом: - первый слайд – титульный.

Предназначен для размещения названия презентации, имени докладчика и его контактной информации; - на втором слайде необходимо поместить содержание презентации, а также краткое описание основных вопросов; - все оставшиеся слайды имеют информативный характер.

Обычно подача информации осуществляется по плану: тезис – аргументация – вывод.

Рекомендации по созданию презентации:

1. Читабельность (видимость из самых дальних уголков помещения и с различных устройств), текст должен быть набран 24-30-ым шрифтом.

2. Тщательно структурированная информация.

3. Наличие коротких и лаконичных заголовков, маркированных и нумерованных списков.

4. Каждому положению (идее) надо отвести отдельный абзац.

5. Главную идею надо выложить в первой строке абзаца.

6. Использовать табличные формы представления информации (диаграммы, схемы) для иллюстрации важнейших фактов, что даст возможность подать материал компактно и наглядно.

7. Графика должна органично дополнять текст.

8. Выступление с презентацией длится не более 10 минут.