Физические основы электроники

     В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т.е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

     Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной (Ng) примеси или акцепторной (Na) должна превышать концентрацию собственных носителей заряда т или pi Ng или Na>> n_i или p_i.

     Носители  заряда. концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называется основными. Не основными называются носители заряда, концентрация которых меньше концентрации основных носителей. 

     Туннельный  эффект 

     Для преодоления потенциального барьера  валентные электроны должны получить энергию из вне. Из курса физики известно, что электроны могут "просочиться" через узкий потенциальный барьер даже когда их энергия меньше высоты потенциального барьера. "Просачивание" или туннелирование электрона объясняется его волновыми свойствами. А эффект прохождения электрона сквозь узкий потенциальный барьер называется туннельным эффектом.

      Для получения  туннельного эффекта необходимо, чтобы содержание примесей в электронной  и дырочной областях было значительно выше, чем в обычных примесных полупроводниках. В тоже время площадь перехода должна быть очень малой. Это приводит к появлению в зоне p-n перехода очень сильного электрического поля. При подключении к p-n переходу напряжений в прямом направлении поле p-n перехода ослабляется, но остается еще достаточно ощутимым. (Ветвь с отриц. провод.) При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельный эффект исчезает и ветвь прямого тока снова становиться восходящей.

     Полупроводниковые приборы, использующие свойства туннельного  эффекта – туннельные диоды. Могут работать в усилителях, переключателях, генераторах, умножителях частоты. 
 
 
 
 

Классификация полупроводниковых приборов. 

• п/п резисторы  
• п/п диоды
• п/п транзисторы
• п/п тиристоры
• интегральные микросхемы (ИМС)

   Полупроводниковые резисторы и диоды – двухэлектродные приборы.

   Транзисторы – трехэлектродные.

   Тиристоры – могут быть как двух, так и трехэлектродными.

     В полупроводниковых резисторах используются однородные (изотропные) полупроводники - материалы.

     В полупроводниках диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один p-n переход.

     В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами проводимости образуют два p-n перехода. В полевых – один, в тиристорах 3 и более p-n переходов. 

     Полупроводниковые резисторы – это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление полупроводника зависит от напряжения. Полупроводниковые резисторы изготавливают из полупроводников, равномерно легированных примесями.

Линейный резистор, в котором используется слаболегированный кремний или арсенид галлия. R=const в широком диапазоне изменений напряжений   и токов. Используют в ИМС. 

Варистор – полупроводниковый резистор с нелинейной симметричной БАХ. Изготавливают из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Применяют в целях защиты от перенапряжений.  

Терморезисторы (позисторы – с ростом t° растет R)

                         (термисторы – с ростом t падает R)

– полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от t° термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов с электронной электропроводностью – окислов металлов. 

Позисторы изготавливают из титан бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. Применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации. 

Тензорезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит oт линейной деформации рабочего тела. Материалом при изготовлении служит кремний p и n - типов, применяют для измерения деформации твердых тел.

     

Фоторезистор  - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием лучистой энергии. В качестве материала для фоторезистора используют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий и др. полупроводники с n - проводимостью. Фоторезисторы обладают высокой интегральной чувствительностью и применяются в устройствах автоматики и телемеханики. 

     Полупроводниковые диоды - полупроводниковые приборы с одyим p-n переходом и двумя выводами делятся на два класса: точечные и плоскостные. По способу внесения примесей: сплавные и диффузные.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1) Выпрямительный диод используется для выпрямления переменных токов и напряжений.

      Основные параметры:

1) прямой ток  диода I_пр (при U_пр=l¸2B)

2) max допустимый ток диода I _{пр. max}.

3) max допустимое обратное напряжение U_обр.max.

4) обратный  ток диода I_обр. (при U_обр.max.) Большинство диодов могут надежно работать при U_обр.£ 0,7¸0,8U_проб..  

2) Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Используют для стабилизации напряжения. Материал изготовления – кремний.

       Основные  параметры:

1) стабилизирующее напряжение U_ст.(1¸1000 В) 

2) динамическое сопротивление на участке стабилизации 

      R=dU_ст./dI_ст. » (0,5¸200 »const) 

3) min ток стабилитрона I_{ст. min}»[1¸10 мА]

4) max ток стабилитрона I_{ст. max}»[50¸2000 мА]

5) температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации    

            TKU = dU_ст./dT*100% (-0,5¸+0,2)% / °С. 

Стабилитроны можно включать только последовательно друг с другом, при этом

 U_ст.= U_{ст. 1} + U_{ст. 2} + … + U_{ст. n}.

Параллельное  соединение не допустимо, т.к. из-за не идентичности характеристик возможен перегрев одного из стабилитронов. 
 
 
 

    3) Туннельный диод (1)(рассмотрен ранее)

        Основные характеристики:

   1) ток пика I_n »100 мА)

   2) ток впадины I_в» (...)

   3) отношение I_n/I_в»5¸20 
 
 
 
 
 

4) Обращенный диод – разновидность туннельного I_n.»0. Используется обратная ветвь. Применяют в импульсных устройствах, в преобразователях сигналов (смесителях и детекторах) в радиотехнических устройствах. 

5) Варикап – полупроводниковый прибор, использующий зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения. Используется как элемент с электрически управляемой емкостью (материал – кремний) а также в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.  Основные параметры:

1) общая емкость варикапа Св при U_обр.=2¸5 В.

2) коэффициент перекрытия по емкости Кс=5¸20 
 
 
 
 

      

      

– фотодиод 
 

– светодиод 
 

– фотоэлемент 

     Тиристор  (теория  в лаб. работе).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Транзисторы 

• биполярные
• полевые

      Биполярные  транзисторы 

      Транзистор  — электропреобразовательный полупроводниковый прибор, служащий для преобразования электрических величин. Наиболее распространены транзисторы с двумя p-n переходами. Эти транзисторы называют биполярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными. Они работали не достаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Устройство  биполярного транзистора. Средняя  область называется Базой (Б), две крайние – Эмиттер (Э) и Коллектор (К). Пластинка полупроводника (Ge или Si) в которой созданы три области Э, Б, К. В транзисторе два p-n перехода: Эмиттерный (между Э Б) и Коллекторный (между Б и К). Область базы должна быть очень тонкой – это условие хорошей работы транзистора. Концентрация примесей в ^азе значительно меньше, чем в Э и К. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока (от «+» к «–») при прямом напряжении. 
 

      Транзистор  может работать в одном из трех режимов:

      «А» => активном – на Э напряжение прямое, на К – обратное

      «В» => отсечки (запирания) – на оба перехода подается U_обр.

      «С» => насыщение – на оба перехода подается U_прямое.

      Активный  режим (режим линейный) – основной (A) он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки (В) и насыщения (С) характерны для импульсной работы транзистора.

      В схемах с транзисторами образуются две цепи:

   – входная или управляющая – служит для управления работой транзистора и подключения источника усиливаемых колебаний;

   – выходная или управляемая – служит для получения усиленных сигналов и подключения нагрузки.

Схемы включения биполярных транзисторов.