Лекция №14 полупроводниковые электронные приборы (диоды, стабилитроны, полевые и

Лекция №14
Электроника
В настоящие время в технике используется в основном
полупроводниковые электронные приборы (диоды, стабилитроны, полевые и
биполярные транзисторы, тиристоры, варикапы и т.д).
Полупроводники – это тела, занимающие среднее положение между
металлическими проводниками и диэлектриками, как по величине удельного
сопротивления, так и по характеру действия ионов тела на электроны,
движение которых создает электрический ток.
В полупроводниках (кремний Si, германий Ge) электроны связаны с
ионами тела сильнее, чем в металлах, но все же гораздо слабее, чем в
диэлектриках. Поэтому тепловое движение нарушает связь части электронов
с ионами и эти электроны становятся «свободными», т.е. под действием
электрического поля могут создавать ток. Чем выше температура, тем
больше число электронов участвует в образовании электрического тока.
Поэтому удельное сопротивление полупроводника уменьшается с ростом
температуры. Т.е. переноносенными в полупроводниках, как и в металлах
могут являться электроны, но процесс переноса может быть и иным чем в
металлах. Т.е наряду с электронной может наблюдаться и так называемая
«дырочная проводимость». Преобладание того или другого типа
проводимости зависит от наличия в полупроводнике тех или иных примесей.
(Сурьма Sb, фосфор Р, галий Ga, индий In).
Если
атомы
примеси
способны
захватывать
электроны
полупроводника, то в полупроводнике образуются «дырки», т.е. состояния,
которые могут быть заняты электронами. Но свободные электроны при этом
не появляются, т.к. атомы примеси, а вместе с ними и захваченные электроны
неподвижны. В этом случае электрический ток создается перемещением
«дырок».
И наоборот, если атомы примеси легко отдают свои электроны, то в
полупроводнике появляются свободные электроны без образования «дырок»
и эти электроны создают электрический ток. Полупроводники, проводимость
которых обусловлена наличием дырок, называют полупроводниками р типа
(позитив положительный),а проводимость которых обусловлена свободными
электронами называют полупроводниками n типа (негатив - отрицательный).
Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основан
на специфических явлениях, возникающих на границе раздела между
полупроводниками n и р типов.
Так как разности потенциалов свободных «дырок» и свободных электронов
разные, то по обе стороны от границы раздела полупроводников собираются
свободные электроны и свободные дырки. При подключении к этим
полупроводниках источника питания, ток будет протекать только в одном
направлении, а ток в обратном направлении будет практически равен нулю.
Полупроводниковые диоды.
Одним из самых распространенных видов полупроводниковых
приборов являются полупроводниковые диоды – прибор с одним р – n
переходом и двумя выводами.
В полупроводниковых диодах используется свойство р – n перехода.
Хорошо проводить ток в одном направлении и плохо пропускать его в
обратном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами
полупроводникового диода называются прямыми и обратными, токами и
напряжениями.
Для
полупроводникового
диода
задают
вольт-амперную
характеристику. Вид вольт- амперной характеристики зависит от способа
получения р – n перехода, концентрации свободных дырок и электронов,
конструкции и т.д.
На рисунке изображена ВАХ германиевого диода и нарисовано
условное изображение полупроводникового диода. Прямой ток в
полупроводниковом диоде направлен от одного вывода к другому, которые
соответственно называются анодным и катодным выводами. В качестве
параметров, характеризующих нагрузочную способность
полупроводникового диода, указывают:
- допустимый прямой ток Iпр.
- прямое напряжение Uпр.
- обратный ток Iобр.
- обратное напряжение Uобр.
-допустимая температура окружающей среды (до 50о С для германиевых и
до 140о С для кремниевых диодов).
По типу конструкции перехода различают точечные и плоскостные
полупроводниковые диоды.
Точечный диод – прибор, в котором все размеры электрического
перехода меньше размеров областей, окружающих его и определяющих
физические процессы в переходе.
Такой переход возникает, например, при вплавлении кончика
металлической иглы в полупроводниковую пластину с одновременной
присадкой лигирующего вещества. Из-за малой площади перехода, точечный
диод относится к маломощным приборам и применяется главным образом в
аппаратуре сверхвысокой частоты.
Плоскостный диод – прибор, в котором p-n переход возникает на
значительной по площади границе между полупроводниками p- и n- типов.
В таких диодах переход получают путем сплавления пластин. Так как
площадь p-n перехода большая, допустимая мощность рассеяния диодов
малой мощности достигает 1 Вт, при прямом токе 1 А. такие плоскостные
диоды часто применяют в цепях автоматики и приборостроения.
У плоскостных приборов большой мощности, допустимая мощность
рассеяния достигает 10 кВт при прямом токе до 1000 А и Uобр до 1500 В. Они
применяются в основном в выпрямителях.
Так же большое применение нашли полупроводниковые стабилитроны,
которые применяются для стабилизации напряжения в электрических цепях.
В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя
p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения.