Тема 2.2 Полупроводниковые приборы

Электротехнические свойства полупроводников. Электронно-дырочный переход и его свойства. Устройство диодов. Выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности. Вольтамперная характеристика диода. Параметры диодов.

Биполярные транзисторы (устройство, усилительные свойства). Способы включения транзисторов. Статические характеристики транзисторов и их основные параметры. Понятие о полевых транзисторах.

Тиристоры. Конструктивное исполнение. Принцип работы.

Области применения полупроводниковых приборов.

Методические указания

Электрический ток в веществе создается перемещением свободных носителей заряда под действием электрического поля. Чем выше концентрация свободных носителей (например, свободных электронов) в веществе, тем выше удельная электрическая проводимость вещества. В проводниках концентрация свободных носителей превышает 10²² см^-3 и удельная проводимость проводников составляет 10³-10⁶ См/см. Удельная электрическая проводимость диэлектриков не превышает 10^-10 См/см, так как в них концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала. Полупроводники занимают промежуточное положение. К ним относятся химические элементы и соединения. Для производства полупроводниковых приборов применяют германий, кремний, селен, карбид кремния, арсенид галлия и некоторые другие.

Тип электропроводности полупроводника можно изменить, вводя в полупроводник примеси. Примеси могут быть донорные и акцепторные. Полупроводник, в который введена донорная примесь (фосфор, мышьяк, сурьма) называют полупроводником п-типа или полупроводником с электронной электропроводностью.

Полупроводник., в который введена акцепторная примесь (бор, индий, алюминий, галлий)называют полупроводником р-типа или полупроводником с дырочной электропроводностью.

Основу многих полупроводниковых приборов составляет электронно-дырочный (или р-п) переход – переходный слой на границе раздела двух областей полупроводника с разным типом электропроводности.

Электронно-дырочные переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами. Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно загрязнены оксидами атомами других веществ. Существенную роль играет воздушный зазор, устранить который при механическом контакте практически невозможно.

Концентрации основных носителей заряда в областях могут быть равными (симметричный переход) или различными (несимметричный переход, распространены шире).

Основным свойством р-п перехода является свойство односторонней проводимости. Если источник питания положительным полюсом подключить к р-области, а отрицательным к п-области, то через переход будет протекать ток, обусловленный перемещением основных носителей заряда (прямое включение). Так как концентрация основных носителей велика, то даже при небольшом напряжении ток будет значительным. При противоположной полярности внешнего источника ток через переход образован движением неосновных носителей заряда и имеет ничтожно малое значение (обратное включение).

Диодом называют полупроводниковый прибор с одни р-п переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток

Стабилитроны применяют для поддержания (стабилизации) постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения источника питания.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами и тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), обеспечивающий усиление мощности электрических сигналов.

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из двух р-п переходов и трех внешних выводов (сток, исток, затвор), предназначенный для усиления мощности электрического сигнала. Выходной ток транзистора управляется электрическим полем.

Различают полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя и боле р-п переходами, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний: в состоянии низкой проводимости (закрыт) или в состоянии высокой проводимости (открыт).

Тиристоры можно считать аналогами электрических контактов, которые могут быть замкнуты или разомкнуты. Маломощные тиристоры применяют в релейных схемах и маломощных коммутирующих устройствах. Мощные тиристоры используют при создании управляемых выпрямителей, инверторов и различных преобразователей.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие исходные материалы используются для изготовления полупроводников?
2. Что называется собственной и примесной проводимостью полупроводников?
3. Объясните свойство односторонней проводимости р-п перехода.
4. Дайте характеристику полупроводниковым диодам.
5. Сколько р-п переходов имеет биполярный транзистор? Как называются области биполярного транзистора?
6. Сколько р-п переходов имеет полевой транзистор? Как называются области полевого транзистора?
7. Изобразите три схемы включения биполярного транзистора с указанием направления протекающих токов.
8. Определение тиристора.
9. В чем отличие диодного тиристора от триодного?
10. Поясните маркировку всех полупроводниковых приборов.

 

Литература: [1] §16.1-16.7, 16.9

 

Тема 2.3 Фотоэлектронные приборы

Законы фотоэффекта. Фотоэмиссия. Устройство, принцип действия, основные характеристики ламповых фотоэлементов. Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы, их устройство, принцип действия. Фотопроводимость полупроводников. Фотодиоды. Применение фотоэлектронных приборов.

Методические указания

Фотоэлектронным называют прибор, в котором под действием электромагнитного излучения изменяется его электропроводность или появляется ЭДС. Принцип действия таких приборов основан на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

Внешний фотоэффект- это явление выхода электронов с поверхности металла под действием светового излучения.

В полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, связанный с изменением электрической проводимости вещества при облучении за счет изменения числа свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Их работа основана на использовании внутреннего фотоэффекта.

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Фоторезисторы широко применяются как датчики освещенности в автоматике и измерительной технике.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-п переходом. Может работать в одном из двух режимов:

Ø Фотопреобразовательный, когда в цепь фотодиода включается внешний источник, смещающий р-п- переход диода в обратном направлении. В этом режиме под действием падающего на фотодиод света происходит возрастание его обратного тока за счет генерации дополнительных пар носителей заряда электрон-дырка.

Ø Генераторный режим, когда фотодиод включается на нагрузку без внешнего источника. ЭДС между выводами фотодиода создается за счет разделения возникающих носителей заряда внутренним полем р-п перехода. Фотодиод, работающий в генераторном режиме, называют фотоэлементом. Он преобразует световую энергию в электрическую. По такому же принципу работают солнечные батареи.

Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, ток которого зависит от излучения. Фототранзисторы могут быть биполярными и полевыми. Биполярный транзистор имеет базу, эмиттер и коллектор с соответствующими выводами. В отличие от обычных транзисторов в фототранзисторах предусмотрена возможность освещения базы.

Фототиристоры представляют собой четырехслойные полупроводниковые структуры, которые управляются световым потоком. Чем больше световой поток, тем при меньшем прямом напряжении включается тиристор.

Фототиристоры успешно применяют в системах автоматики и управления для включения электрических цепей по световому сигналу. Важное достоинство тиристоров – отсутствие электрической связи между цепью управления и включаемой цепью.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Сформулируйте основные законы фотоэффекта.
2. В чем отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?
3. Как устроен элемент с внешним фотоэффектом?
4. Объясните устройство фоторезистора.
5. На чем основан принцип действия фотодиода?
6. Назовите технические устройства, в кторых применяются фтооэлектронные приборы.

 

Литература: [1] §17.1-17.5

 

Тема 2.4 Выпрямители

Основные сведения о выпрямителях. Одно- и двухполупериодное выпрямление. Трехфазные выпрямители. Параметры выпрямителей. Сглаживающие фильтры. Параллельное и последовательное соединение диодов в схемах выпрямителей

Методические указания

Выпрямителями называют электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители относят ко вторичным источникам питания в отличие от генераторов, аккумуляторов, батарей, кторые называют первичными. Они широко применяются дл питание не только электронных устройств, но и двигателей постоянного тока, электрохимических установок и т.д.

Структурная схема выпрямителя:

 

 

 

Рис.8

На вход выпрямителя подается напряжение U₁ сети, на выходе получают постоянное напряжение U_н, необходимое для питания нагрузки. Трансформатор Т применяют для согласования напряжения сети с требуемым напряжением нагрузки и устранения электрической связи между цепью переменного и постоянного тока. Иногда выпрямитель может работать и без трансформатора. Группа вентилей В преобразует переменный ток в однонаправленный выпрямленный. Сглаживающий фильтр СФ применяют в том случае, если нужно улучшить форму выходного напряжения. Иногда нагрузка не допускает значительных изменений напряжения, и тогда применяют стабилизаторы напряжения СТ.

Для питания нагрузки малой мощности применяют однофазные выпрямители, которые питаются от однофазной сети переменного тока. Для питания нагрузок средней и большой мощности используют выпрямители, питающиеся от трехфазной сети.

По принципу регулирования выпрямленного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Рассмотрим принцип действия однофазного мостового выпрямителя.

Мостовая схема однофазного выпрямителя (рис. 9, а) состоит из четырех вентилей, являющихся плечами моста. К одной диагонали моста прикладывается переменная э.д.с. вторичной обмотки трансформатора е2, во вторую диагональ включена нагрузка R_н.

При положительной полуволне э.д.с. вторичной обмотки трансформатора е2 (интервал 0-π ) ток i_{2, 3}, вызванный действием этой э.д.с., будет проходить по цепи: точка а с положительным потенциалом – открытый вентиль В2 – нагрузка R_н – открытый вентиль В3 – точка b с отрицательным потенциалом. Вентили В1 и В4 при этом закрыты.

Через полпериода ( интервал π - 2π ) потенциал точки а станет отрицательным, а потенциал точки b – положительным. Вентили В2 и В4 закроются и ток i_{1, 4} будет проходить от точки b через вентиль В4, нагрузку R_н и вентиль В1 к точке а. таким образом, ток i_d через нагрузку R_н в оба полупериода проходит в одном направлении. При этом положительным полюсом мостового выпрямителя является узел связи катодов вентилей В2, В4, а отрицательным – узел связи анодов вентилей В1, В3.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при идеальных вентилях и трансформаторе определяется из вражения:

 

U_d=

 

где Е₂ – действующее значение фазной ЭДС.

Среднее значение выпрямленного тока:

 

 

Среднее значение тока через каждый вентиль в два раза меньше тока нагрузки:

 

 

Обратное напряжение неработающего вентиля определяется фазным напряжением одной половин вторичной обмотки, поэтому максимальное значение обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше по сравнению со схемой с вводом нулевой точки:

 

 

Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период и при активной нагрузке имеет синусоидальную форму. Вынужденного намагничивания сердечника трансформатора нет. Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

 

 

 

 

б)

 

Рисунок 9

 

Расчет выпрямителей сводится к выбору схемы, трансформатора, вентилей, типа фильтра и параметров его элементов. За исходные величины принимаются напряжение U₁ и частота f₁ питающей сети переменного тока, напряжение U_н и мощность Р_н нагрузки. Для выбора трансформатора надо знать его расчетную мощность S_расч, вторичное напряжение U₂, первичный I₁ и вторичный I₂ токи.

Вентили при анализе схем выпрямления часто считают идеальными, т.е. их внутреннее сопротивление при прямом включении равно нулю, а при обратном включении – бесконечности. Тогда для выбора вентилей нужно знать средний ток через вентиль I_пр и максимальное обратное напряжение U_{обр m} на закрытом вентиле. Эти величины не должны превосходить допустимый ток вентиля I_прmax и обратное максимальное напряжение U_{обр max}.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какой вентиль называют идеальным?
2. Начертите схему однополупериодного выпрямителя и поясните работу графиком выпрямленного напряжения.
3. Какие имеются соотношения между переменным и выпрямленным токами и напряжениями для различных схем выпрямления?
4. В каких случаях применяют трехфазные выпрямители?
5. Объясните назначение сглаживающих фильтров в схемах выпрямления.
6. Для чего в схемах выпрямителей диоды соединяют между собой последовательно или параллельно?

 

Литература: [1] §18.1-18.6

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A.19. Противопожарная система
2. A.32.4.5.3. Система УСАВП: тест управления рекуперативным торможением
3. II. Поселение в Испании. Взаимоотношения вестготов и римлян. Королевская власть. Система управления. Церковная политика.
4. II. ТЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЧАСОВ
5. V. Письменно переведите текст и выпишите слова юридической тематики.
6. VII. ЛЕКСИКА ДРУГИХ АКТУАЛЬНЫХ ТЕМАТИЧЕСКИХ ГРУПП
7. АВАРИИ НА КОММУНАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
8. Автоматизированная система мониторинга вычислительной среды и обнаружения сетевых атак.
9. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПОВЕЩЕНИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА АСОТП ИГЛА-М.5К-Т И СКТБ
10. Административно-территориальное деление и система местного самоуправления США
11. Анализ исходных данных и разработка математической модели
12. Анимационные программы и тематические парки.