Министерство образования и науки РФ ФГОУ СПО Октябрьский нефтяной колледж им. С. И. Кувыкина Дюртюлинский филиал Полупроводники Полупроводниковые приборы Разработали: студенты гр. 2 ЭД-09 ДФ ОНК Бадретдинов А. В. и Исхаков. Л. Л Руководитель: преподаватель электротехники и электроники Рамазанова А. З.
Полупроводниковый диод полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличии от других типов диодов, принцип действия полупроводникового основывается на явлении p-n-перехода. n n Основные характеристики и параметры диодов n Классификация диодов
n n n Вольтамперная характеристика Постоянный обратный ток диода Постоянное обратное напряжение диода Постоянный прямой ток диода Постоянное обратное напряжение диода Диапазон частот диода Дифференциальное сопротивление Ёмкость Пробивное напряжение Максимально допустимая мощность Максимально допустимый постоянный прямой ток диода
Типы диодов по назначению n n n n n Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы. Детекторные диоды предназначены для детектированния сигнала Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в в сигнал промежуточной частоты. Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управлением уровнем свехрвысокочастотной мощности. Параметрические Ограничительные Умножительные Настроечные Генераторные
Полупроводники Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводником и диэлектриком и отличаются от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. n Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства изоляторов. n
Полупроводниковые приборы а) Общее устройство, эл/проводимость n б) Диоды n в) Тиристоры n
n Виды полупроводников: а) по характеру проводимости n б) по виду проводимости n n Физические свойства и применения: а) легирование Методы получения
Проводимость полупроводников Собственная проводимость Полупроводники, в которых свободные электроны и "дырки" появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации "дырок". n Примесная проводимость Для создания полупроводниковых механизмов используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготовляются с помощью внесения смесей с атомами трех валентного или пятивалентного химического элемента. n
Полупроводники n- и р - типа Электронные полупроводники (n-типа) Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В 4 -х валентный полупроводник (например, Ge) добавляляют примесь 5 -валентного полупроводника (например, As). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами Ge. Однако для пятого электрона атома As нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными. "Дырочные полупроводники (р-типа) « Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В 4 -х валентный полупроводник (например, в Ge) добавляют небольшое количество атомов 3 -х валентного элемента (например, In). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами Ge. Для установки связи с четвертым атомом Ge у атома In нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами Ge и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полуп-
Физические свойства полупроводников наиболее изучены по равнению с металлами и диэлектриками. Этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к Si-кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, Ga. As, In. P, In. Sb). n Кремний -полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции полупроводники-соединения типа Ga. As, Ga. N, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров. n Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники). n
Выращивание кристаллов n Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. и типом проводимости Например, широко распространённый кремний можно леги ровать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксирован уровень Ферми в середине запрещённой зоны. n
Получение монокристаллов n n Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки. Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющие выращивать кристалл с точностью до монослоя.
Тиристоры Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют полупроводниковым управляемым вентилем (Silicon Controlled, SCR Rectifier). Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" – используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние. n Виды тиристора n Структура тиристора n Свойства тиристора в закрытом состоянии n Принцип отпирания с помощью управляющего электрода n Отключение тиристора n n
Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся четырех кремниевых слоев р- и n- типа. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рис. 1. Крайнюю область р-структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом, а крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника - катодом. Рис. 1. Структура и обозначение тиристора
Тиристор В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рис. 2. Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом. Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D 2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D 1 и D 2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт. n Рис. 2. Представление тиристора тремя диодами
Разбиение тиристора на два транзистора Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 3. Рис. 3. Разбиение тиристора на два транзистора
Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости Представление тиристора в виде двух тран- Рис. 4. Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы зисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 4. Она наглядно объясняет явление отпи-рания тиристора. Зададим ток IGT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение VAK положительное), как показано на рис. 4. Так как ток IGT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B 1 x. IGT, где B 1 – коэффициент усиления по току транзистора Т 1. Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т 2 составляет величину B 1 x. B 2 x. IGT и суммирует-ся с током IGT, что поддерживает транзистор Т 1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток IGT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.
Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1 А ) остается достаточно высоким. Типовая схема запуска тиристора приведена на рис. 5 Рис. 5. Типичная схема запуска тиристора
Способы отключения тиристора Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током). Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 6 а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания). Рис. 6. Способы отключения тиристора Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического отключателя. Включенный последо вательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.
Способы отключения тиристора Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 6 б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная ём- кость р-n перехода тиристора, вызывая помехи. Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 1. 6 в), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока. Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий диоду D 2 из схемы замещения тиристора тремя диодами (рис. 2). На рис. 6 а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора Рис. 6. Способы отключения тиристора
Способы отключения тиристора Рис. 7. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи n n Когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи - механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 7.
Тиристоры n Динисторы n Это тиристор с двумя электродами (выводами). Переход динистора из одного состояния в другое осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах. n n Тринисторы Это тиристор, снабженный третьим электродом.
Вольтамперная характеристика
Видеофильм: n Полупроводниковые материалы
Скачать презентацию Министерство образования и науки РФ ФГОУ СПО Октябрьский
Полупроводники корректировка.ppt