Профессия: 15.01.05 “Сварщик” (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)».

Профессия: 15.01.05 “Сварщик” (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)».

Дисциплина: «Основы Электротехники»

Тема занятия: Полупроводники: понятие, типы проводимости, р-n переход

Дата проведения -20.10.2020г.

Полупроводниковые приборы

· 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.

· Полупроводниковые диоды

· 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

· Выпрямительные диоды

· Силовые диоды

· Параметры и схемы выпрямителей

· Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы

· Транзисторы

· 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.

· Классификация транзисторов:

· - 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.

Домашнее задание:

1.Материалы используемые при изготовлении полупроводниковых приборов

2.Виды диодов

3.Отличие светодиода от фотодиода

4.Классификация транзисторов