Полупроводниковые приборы 1
Теория электропроводности полупроводников 2
Структура полупроводников (ПП) На одном энергетическом уровне могут одновременно находиться не более двух электронов, отличающихся магнитными моментами (принцип Паули). Электрон переходит с низкого уровня на более высокий свободный энергетический уровень, если получит извне порцию (квант) энергии, который равен разнице между указанными уровнями. Электропроводность вещества зависит от типа связей, объединяющих его атомы в кристаллическую решетку твердого тела. 3
Ковалентная связь – пара валентных электронов на одной орбите вокруг атомов, образующая решетку ПП. У каждой орбиты - своя энергия электронов. Энергетическая зона - совокупность уровней (орбит) занимаемых электронами. 4
ЗЗ ЗСЭ: при Т=0 К электронов нет. ЗСЭ ЗЗ: ширина определяет свойства вещества: ПП: W 3, 5 э. В; ДЛ: W > 4 э. В; М: W = 0. ЗВЭ: верхняя зона, при Т=0 К все энергетические уровни заняты. 5
Металлы: в кристаллической решетке каждый атом теряет валентный электрон и превращается в положительно заряженный ион. Электроны свободны, и передвигаются под действием внешнего электрического поля. Величина W = 0. Изоляторы: все валентные электроны участвуют в образовании кристаллической решетки, свободных электронов нет. Значение W > 4 э. В. Электропроводность хороших проводников и изоляторов различается (~1022) как размер нашей Галактики и 1 сантиметр. 6 1 э. В равен 1, 6· 10 -19 Дж
Полупроводники (ПП): по электрическим свойствам - между проводниками и диэлектриками. Медь: = 17 10 -9 Ом м; кремний (ПП): = 2 103 Ом м. полиэтилен (ДЛ): = 1015 Ом м; Электропроводность ПП: зависит от их температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений. 7
Генерация свободных носителей заряда: образование пар электрон - дырка. Рекомбинация: электрон восстанавливает ковалентную связь. . Заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи: перемещение дырки - положительного заряда. 8
ПП с собственной проводимостью: § равенство концентраций электронов и дырок (одинаковые электронная и дырочная проводимости). §концентрация определяется только температурой и энергией связи W. Энергия стремящаяся разорвать электронные связи между атомами полупроводника: k - постоянная Больцмана (1, 37 10 -23 Дж/град); Т - абсолютная температура, К. При T = 0 K электропроводность равна нулю. 9
Концентрация электронов ni и дырок pi : ØВ собственном полупроводнике их число равно и с ростом температуры увеличивается где: А - коэффициент пропорциональности; k - постоянная Больцмана (1, 37 10 -23 Дж/град); Т - абсолютная температура, К. 10
Кристаллическая структура ПП Кристаллическая структура кремния на плоскости В кристаллической решетке кремния Si каждый атом взаимодействует с четырьмя ближайшими соседями и вокруг него по замкнутым орбитам вращается восемь валентных электронов. 11
Собственные полупроводники Кристаллическая решетка собственного полупроводника (а) и его зонная энергетическая 12 диаграмма (б).
В полупроводниках различают виды электрического тока: - дрейфовый ток – направленное движение зарядов в электрическом поле (а); - диффузионный ток – диффузия носителей зарядов в сторону их меньшей концентрации (б). 13
Полупроводники с электронной проводимостью Кристаллическая решетка полупроводника с электронной проводимостью (а) и его зонная энергетическая диаграмма (б). Примеси, увеличивающие число свободных электронов, 14 называют донорными.
Число примесных электронов: WQ – энергия активации примеси (э. В); ND – концентрация донорной примеси; В – коэффициент пропорциональности. 15
Полупроводники с дырочной проводимостью Кристаллическая решетка полупроводника с дырочной проводимостью (а) и его зонная энергетическая диаграмма (б). Основная проблема при производстве полупроводниковых приборов - очистка исходного материала от примесей (дорого и сложно). Добавка дополнительных примесей позволяет получить требуемые характеристики полупроводника. 16 Примеси, увеличивающие число свободных дырок, называют акцепторными.
Вольтамперная характеристика диода (ВАХ) 17
Термоэлектрические холодильники В зависимости от полярности напряжения, приложенного к p–n переходу основные носители заряда (дырки в p –, электроны в n– областях) будут: - перемещаться навстречу другу и рекомбинировать с выделением тепла (ток направлен от p – к n – полупроводнику); - генерироваться в переходе (пара электрон – дырка) с поглощением тепла и двигаться в разные стороны (ток направлен от n – к p –полупроводнику). В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников p–n и n–p типов, вследствие генерации или рекомбинации зарядов, энергия и тепло либо поглощается, либо выделяется. 18
полупроводники p– и n–типа в термоэлектрических холодильниках Внешний вид кулера с модулем Пельтье Структура модуля Мощные модули Пельтье позволили фирмам Kryo. Tech и AMD разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, то есть увеличить их частоту работы почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом. Аналогичные исследования были проведены и с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, в результате которых был получен тоже значительный прирост производительности. 19
Варикап: электрически управляемая емкость. Применение: электрическая перестройка частоты колебательных контуров, умножение частоты в широком диапазоне частот. где: S, d – площадь и ширина p-n перехода. 20
Выпрямители 21
Более 1/3 всей вырабатываемой электроэнергии используется потребителями постоянного тока. Например, многие энергоемкие производства по технологическим нормам требуют использования постоянного тока. В тяговом и промышленном электроприводе использование постоянного тока предпочтительно и т. д. 22
Состав выпрямителя: 1. Трансформатор: - понижение ~U, электрическая развязка источника и нагрузки. 2. Выпрямитель – преобразование ~U в пульсирующее напряжение UП. 3. Фильтр – снижение переменной составляющей в пульсирующем UП. 4. Стабилизатор - поддерживает неизменным выпрямленное напряжение. 23
Основные параметры выпрямителей: - средние значения выпрямленных тока и напряжения: - мощность нагрузочного устройства: - амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения и тока: 24
- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения: - действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора: 25
- мощность трансформатора: - коэффициент полезного действия: потери в трансформаторе: потери в диодах: 26
Диоды характеризуются: - среднее значение прямого тока: - среднее значение прямого напряжения: Предельный режим диодов: - максимальное обратное напряжение: 27
- максимальный прямой ток: - максимальная частота тока диодов: Условия работы диодов в выпрямителях: 28
Выпрямительные диоды Постоянное обратное напряжение UОБР – значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение долгого времени до выхода из строя, UОБР составляет 70% от напряжения, при котором наступает тепловой пробой. С изменением температуры изменяется UОБР, и это значение дается для диапазона температур, указанного в справочнике, например, 213º К … 308º К. Постоянный прямой ток IПР. MAX – максимально допустимое среднее значение тока через открытый диод, которое он может выдержать в течение долгого времени до выхода из строя. С изменением температуры изменяется IПР. MAX и его значение дается аналогично UОБР. Высокие значения IПР. MAX обеспечиваются использованием p–n переходов с большой площадью. Вольтамперная характеристика диода 29
Пример. Определить падение напряжения на открытом диоде VD, ток I, r. ДИФ в схеме, б. Известна ВАХ диода, UП = 2 В, R = 1 к. Ом. 30
При решении используется 2 -й закон Кирхгоффа для эл. цепи: Это нагрузочная прямая, она строится по двум точкам ее пересечения с осями координат UХХ и IКЗ. Рабочая точка Аграфическое решение задачи: I = 1 м. А; UПР 1 В. Для расчета дифференциального сопротивления диода провести касательную к ВАХ в рабочей точке и определить значения U и I как проекции на соответствующие оси. Этот метод для сложных схем, содержащих много элементов. В простых задачах используются только аналитические зависимости и схемы замещения диода для прямого включения (рис. а) и обратного включения (рис. б). 31
Основная зависимость обратного тока от материала полупроводника определяется шириной запрещенной зоны W: 32
Обозначение состоит из 6 -ти элементов (ГОСТ 10862 -72): 1 элемент – это буква, указывающая на основе какого материала выполнен диод (Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, А или 3 – соединения галлия, например, арсенид галлия, И или 4 – соединения индия). Цифрами обозначаются приборы военной приемки, буквами приборы коммерческого назначения. 2 элемент – буква, обозначающая подклассы диода. Выпрямительные, высокочастотные, импульсные и универсальные – Д. А – сверхвысокочастотные. Варикапы – В. Туннельные – И. Стабилитроны – С. Ф – фотодиоды. Л – светодиоды. Ц – выпрямительные столбы и блоки. 3 элемент – цифра, определяющая назначение диода. Для выпрямительных диодов: 1 – IПР. MAX ≤ 0, 3 А; 2 – 0, 3 А ≤ IПР. MAX ≤ 10 А. У стабилитронов определяет мощность рассеяния. 4 и 5 элементы – цифры, определяющие номер разработки, у стабилитронов напряжение стабилизации. 6 элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (модификации диодов), у стабилитронов порядковый номер разработки. 33
Примеры характеристик выпрямительных диодов Наименование UОБР. , В IПР. max, A IОБР. max, мк. А FD max, к. Гц КД 102 А 250 0. 1 10 КД 102 Б 300 0. 1 10 КД 103 А 50 0. 1 0. 5 20 КД 105 В 600 0. 3 100 1 КД 209 Г 1000 0. 2 50 1 КД 521 Д 12 0. 05 1 100000 КД 522 Б 50 0. 1 5 100000 КД 2997 В 50 30 200 100 34
Однофазные выпрямители 35
однополупериодный выпрямитель t 1 – t 2: заряд конденсатора через диод; t 2 – t 3: разряд конденсатора в нагрузку. 36
37
(средний прямой ток диода) 38
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора т. к. : и: то: 39
мощность трансформатора: 40
проверка: Коэффициент пульсаций: т. к. : 41
Двухполупериодные выпрямители 42
Однофазный однотактный выпрямитель Схема однофазного однотактного выпрямителя Однофазный – включен в одну фазу напряжения; Однотактный – ток через вторичную обмотку трансформатора проходит в одном направлении. 43
Временная диаграмма однофазного однотактного выпрямителя 44
45
коэффициент пульсаций: Так как: или: где: m – кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети (число фаз выпрямителя). 46
U 2 M – напряжение на половине вторичной обмотки 47
Мостовой выпрямитель Схема мостового выпрямителя 48
Временная диаграмма мостового выпрямителя 49
средний ток каждого диода (I 2): 50
максимальный ток вторичной обмотки: действующее значение тока вторичной обмотки: 51
Максимальный прямой ток диода: 52
коэффициент пульсаций: Так как: 53
Каскадная схема умножения напряжения Схема четырехкаскадного умножения напряжения 54
Временная диаграмма трехкаскадного умножения напряжения 55
Рабочий участок UСТ лежит в области лавинного пробоя диода и характеризуется малым изменением напряжения UСТ при больших изменениях тока ICT. Основные параметры стабилитронов: – номинальное напряжение стабилизации UСТ. НОМ (оптимальное для использования) при IСТ. НОМ; – номинальный ток стабилизации IСТ. НОМ; – минимальный ток стабилизации IСТ. MIN (при котором начинается стабилизация); – максимальный ток стабилизации IСТ. MAX (его превышение ведет к тепловому пробою); – дифференциальное сопротивление r. ДИФ (или стабилитрона r. СТ; r. ДИФ = UСТ / IСТ); – допустимая мощность рассеивания PMAX (для расчета радиаторов отвода тепла); – температурный коэффициент напряжения стабилизации a. СТ, ( %/°С). – максимально допустимая температура ТK MAX, º С. Стабилитроны Вольтамперная характеристика стабилитрона 56
UСТ. НОМ, B при (IСТ. НОМ, м. А) PMAX , м. Вт 2 С 107 А 0, 7 (10) 2 С 133 Б Тип прибора Значения параметров при Т = 25º С Предельные значения параметров при Т = 25º С ТK MAX, º С. r. СТ, Ом (IСТ. MIN) a. СТ, %/°С IСТ. MIN, м. А IСТ. MAX, м. А 7 50 -34 1 100 125 3, 7 65 180 -10 3 30 125 5, 04 6, 16 46 160 -5. . . +5 3 55 125 150 7, 8 8, 7 40 2000 8 0, 5 18 125 8, 2 (4) 125 7, 4 9, 0 40 2000 8 0, 5 15 125 Д 810 10, 0 (5, 0) 280 9, 0 10, 5 12 9, 0 3, 0 26 125 КС 533 А 33, 0 (10) 640 30, 0 36, 0 40 10 3 17 125 КС 591 А 91, 0 (1, 5) 1000 86, 0 96, 0 400 12 1 8, 8 125 2 С 980 А 180, 0 (25) 5000 162, 0 198, 0 220 16 2, 5 28 125 UСТ. MIN, B UСТ. MAX, B r. СТ, Ом 125 0, 63 0, 77 3, 3 (10) 100 3, 0 КС 156 А 5, 6 (10) 300 2 С 182 Ж 8, 2 (4) КС 182 Ж 100 1500 Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН): где: UСТ – напряжение стабилизации при номинальной температуре 25º С, UСТ – алгебраическая разность между напряжениями стабилизации при заданной и номинальной температурах, Т – алгебраическая разность между заданной и номинальной температурами. 57
Стабилизатор напряжения При изменении UВХ ± U изменяется IБ. Это не приводит к изменению UН, т. к. происходит изменение IСТ, причем IСТ IБ и IН изменяется незначительно и выходное напряжение UН = IНRН оказывается стабилизированным. При постоянном напряжении UВХ любое изменение IН ± I вызывает такое же по значению, но обратное по знаку изменение IСТ (при условии, что r. ДИФ = 0). Ток IБ остается неизменным и UН = UВХ IБRБ не изменяется. Область стабилизации 58
Коэффициент стабилизации напряжения КСТ (во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора UН/UН меньше относительного изменения напряжения на его входе UВХ /UВХ): Напряжение пульсации на выходе составит: При расчете стабилизатора задаются допускаемыми относительными значениями отклонений питающего напряжения ± UВХ, %, током нагрузки и его возможным изменением IН ± IН, выходным напряжением UН, выбирают требуемое качество стабилизации (KСТ), КПД схемы. 59
В начале расчета необходимо задаться максимальным значением тока стабилитрона IСТ. МАКС, исходя из соображений приемлемого КПД схемы: где: PН – мощность нагрузки, PСТ – мощность, подводимая к стабилизатору, IСТ. МАКС – максимальный ток в схеме, который используется для выбора стабилитрона и должен быть меньше его паспортной величины IСТ. MAX. Расчет для предельного значения IСТ. MIN. где: UБ. MIN – минимальное падение напряжения на RБ. Расчет для предельного значения IСТ. MAX. где: UБ. MAX – максимальное падение напряжения на RБ. 60
Например, если в начале расчета выбрана величина IСТ. МАКС и определено RБ. MAX, то используя его в выражении получим значение IСТ. МИН: где: IН – изменение тока в RН. На сколько увеличится ток нагрузки, на ту же величину уменьшится ток стабилитрона, так как напряжение стабилитрона постоянно. Выходное сопротивление схемы стабилизации: Качество стабилизации тем выше, чем меньше значение RВЫХ по сравнению с RН. Коэффициент передачи напряжения: Если ток нагрузки имеет постоянное значение IН 1, то изменение IБ от IБ 1 до IБ 2 за счет отклонений величины UВХ возможно в пределах IСТ = IСТ. MAX – IСТ. MIN. В случае постоянства UВХ и, следовательно, IБ = IБ 1, изменение тока нагрузки также возможно в пределах IН = IСТ. 61
Области стабилизации для фиксированных значений IБ или IН (а), при использовании в стабилизаторе RБ. МАКС или RБ. МИН (б). 62
Пример: рассчитать параметрический стабилизатор напряжения. Повысить качество стабилизации за счет выбора величины балластного резистора. Дано: UН = 10 В; IН = 10 м. А, IН = 2 м. А; UВХ = ± 1 В; Решение Выбираем стабилитрон типа Д 810 у которого среднее UСТ = 10 В, IСТ. MIN = 5 м. А, IСТ. MAX = 26 м. А, r. ДИФ = 12 Ом. Выбираем коэффициент передачи напряжения схемы КСП = 1, 7 как среднее из обычного диапазона КП = 1, 4… 2. Входное напряжение: Для получения максимального коэффициента стабилизации выбираем IСТ. МИН = 7 м. А, немного больше минимально допустимого, тогда: 63
В соответствии с условиями задачи (получение максимального KСТ): Рассчитаем IСТ. МАКС, согласно выражению и используя полученное значение балластного сопротивления: Таким образом, стабилитрон Д 810 подходит для решаемой задачи. Коэффициент стабилизации: Среднее значение КПД схемы с учетом средних значений величин UВХ, IН: 64
Напряжение пульсации на нагрузке: 65
Внешний вид диодов и светодиодов 66
диоды светодиоды 67
светодиоды 68
светодиоды 69
светодиоды 70
Конец 71
Скачать презентацию Полупроводниковые приборы 1 Теория электропроводности полупроводников 2
Полупроводниковые приборы.ppt