Урок физики на тему "Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов

стабилитрона
7

Стабилизатор напряжения на основе стабилитрона и ВАХ стабилитронов 1-КС133А, 2-КС156А,3-КС182Ж, 4-КС212Ж

Стабилизатор напряжения на основе
стабилитрона и ВАХ стабилитронов 1-КС133А, 2КС156А,3-КС182Ж, 4-КС212Ж
Степанов Константин Сергеевич

Вольтамперные характеристики
1- КС133А, 2-КС156А, 3-КС182Ж, 4-КС212Ж
9
Степанов Константин Сергеевич

Варикап: обозначение и его вах
Максимальная емкость варикапа
составляет 5-300 пФ
10
Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДОВ

В электротехнике:
1) выпрямительные устройства,
2) защитные устройства.
Степанов Константин Сергеевич

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Работа однополупериодного выпрямителя

Напряжение на выходе выпрямителя


u (t) = u (t) - u (t),
В виде среднего значения –
U = Um/π,


нагр
входа
нагр
Степанов Константин Сергеевич
диода

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Однофазный двухполупериодный выпрямитель
со средней точкой
Степанов Константин Сергеевич

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Степанов Константин Сергеевич

Работа двухполупериодного выпрямителя

также определяется по второму закону
Кирхгофа:
В виде мгновенного значения –
u (t)= u (t) - u (t),
В виде действующего значения –
U = 2Um/π
нагр
входа
нагр
Степанов Константин Сергеевич
диода

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Степанов Константин Сергеевич

Однофазный мостовой выпрямитель

Степанов Константин Сергеевич

Работа двухполупериодного мостового выпрямителя

В этой схеме напряжение на выходе
определяется по второму закону Кирхгофа:
В виде мгновенного значения –
u (t)= u (t) - 2u (t),
В виде действующего значения –
U = 2Um/π,
при игнорировании падения напряжения на
диодах в виду их малой величины.
нагр
входа
нагр
Степанов Константин Сергеевич
диода

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Степанов Константин Сергеевич

Частота пульсаций
f1п = 3 fс
Степанов Константин Сергеевич

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Степанов Константин Сергеевич

Трехфазная мостовая схема управления

Постоянная составляющая в этой схеме
достаточно велика
m
, тогда Ud 0 =0,955Uл m ,
U 2 U Sin
d0
2
m
где: U2 – действующее значение линейного
напряжения на входе выпрямителя,
m – число фаз выпрямителя.
Uл m - амплитудное значение линейного
напряжения
Амплитуды пульсаций гармоник – малы,
а частота пульсаций их велика
Um1 = 0,055Uл m (частота f1п = 6 fс)
Um2 = 0,013Uл m (частота f2п = 12 fс)
Степанов Константин Сергеевич

СЕТЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Емкостные (С – фильтры)
Индуктивные (L – фильтры)
LC - фильтры
Степанов Константин Сергеевич

Емкостной (С – фильтр)

Степанов Константин Сергеевич

Емкостной (С – фильтр)

Степанов Константин Сергеевич

Емкостной (С – фильтр)

Степанов Константин Сергеевич

Индуктивный (L – фильтр)

Степанов Константин Сергеевич

Индуктивный (L – фильтр)

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором
называется полупроводниковый
прибор с двумя p-n-переходами.
Он имеет трехслойную структуру
n-p-n или p-n-p-типа
33
Степанов Константин Сергеевич

Структура и обозначение
биполярного транзистора
34
Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Структура биполярного транзистора

Степанов Константин Сергеевич

Режимы работы транзистора
Различают следующие режимы транзистора:
1)режим отсечки токов (режим закрытого
транзистора), когда оба перехода смещены в
обратном направлении (закрыты); 2)режим
насыщения (режим открытого транзистора) ,
когда оба перехода смещены в прямом
направлении, токи в транзисторах максимальны и
не зависят от его параметров: 3)активный режим,
когда эмиттерный переход смещен в прямом
направлении, коллекторный - в обратном.
37
Степанов Константин Сергеевич

Схема с общей базой

Степанов Константин Сергеевич

Схема с общей базой и её ВАХ
39
Степанов Константин Сергеевич

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Степанов Константин Сергеевич

Схема с общим коллектором (ОК)

Степанов Константин Сергеевич

Схема с ОЭ(а), её ВАХ и схема с ОК(б)

Степанов Константин Сергеевич

Характеристики и эквивалентные схемы транзисторов

Степанов Константин Сергеевич

Схема с общим эмиттером

Степанов Константин Сергеевич

Осциллограммы на входе и выходе усилителя с ОЭ

Степанов Константин Сергеевич

Схема с общим эмиттером

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Тиристоры

Многослойные структуры с тремя p-nпереходами называют тиристорами.
Тиристоры с двумя выводами
(двухэлектродные) называются
динисторами,
с тремя (трехэлектродные) -
тринисторами.
Степанов Константин Сергеевич

Свойства тиристоров

Основным свойством является
способность находиться в двух
состояниях устойчивого равновесия:
максимально открытом, и
максимально закрытом.
Степанов Константин Сергеевич

Свойства тиристоров

Включать тиристоры можно
импульсами малой мощности по цепи
управления.
Выключать – сменой полярности
напряжения силовой цепи или
уменьшением анодного тока до
значения ниже тока удержания.
Степанов Константин Сергеевич

Применение тиристоров

По этой причине тиристоры относят к
классу переключающих
полупроводниковых приборов, главным
применением которых является
бесконтактная коммутация
электрических цепей.
Степанов Константин Сергеевич

Структура, обозначение и ВАХ динистора.

Степанов Константин Сергеевич

При прямом включении динистора источник
питания En смещает p-n-переходы П1 и П3 в
прямом направлении, а П2 - в обратном,
динистор находится в закрытом состоянии и
все приложенное к нему напряжение падает
на переходе П2. Ток прибора определяется
током утечки Iут, значение которого
находится в пределах от сотых долей
микроампера до нескольких микроампер
(участок ОА). Дифференциальное
u
сопротивление динистора Rдиф = l на участке
ОА положительно и достаточно велико. Его
значение может достигать нескольких сотен
мегаом. На участке АБ Rдиф <0 Условное
обозначение динистора показано на рис.б.
Степанов Константин Сергеевич

Структура тиристора

Степанов Константин Сергеевич

Обозначение тиристора

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Условия включения тиристора

1. Прямое напряжение на тиристоре
(анод + , катод -).
2. Импульс управления, открывающий
тиристор, должен быть достаточной
мощности.
3. Сопротивление нагрузки должно
быть меньше критического
(Rкр = Uмакс/Iуд).
Степанов Константин Сергеевич

Полевые транзисторы
60
Степанов Константин Сергеевич

Полевые (униполярные) транзисторы

Степанов Константин Сергеевич

Полевой транзистор с изолированным затвором

Степанов Константин Сергеевич

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ Подготовлено Степановым К.С.

Степанов Константин Сергеевич

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

Воздействие причины на следствие,
вызвавшее эту причину, называется
обратной связью.
Обратная связь, усиливающая

положительной (ПОС).
Обратная связь, ослабляющая
воздействие следствия, называется
отрицательной (ООС).
Степанов Константин Сергеевич

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ структурная схема ОС

Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

Коэффициент передачи усилителя в
U вых
направлении стрелки
K
U вх
Коэффициент передачи обратной
связи в направлении стрелки
U ос
U вых
Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

β показывает какая часть выходного
напряжения передаётся на вход.
Обычно
1
U вх U вх U ос U вх U вых
U вых KU вх K (U вх U вых)
Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

Следовательно
Тогда
K
K
1 K
U вых
K
K KK
U вх
U ос
U вых Z н
K
1
Zн
K
1 K
Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

Входное сопротивление
Так как в схеме
Тогда
Z вх (1 K) Z вх
U ос (I вых I вх)
U вх U вх (I вых I вх)
Z вх Z вх (1 K I)
Z вых (1 K в)
Z вых
Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по току

Где KI - коэффициент усиления тока. Он
должен быть меньше нуля, т.е. усилитель
должен быть инвертирующий.
K в Zвх * Kв /(Rг Zвх)
При ООС K в <0
Применяется тогда, когда нужно иметь
большое Zвых. Тогда такой усилитель
эквивалентен генератору тока. При
глубокой ООС справедливо
>>Zвых
Z вых
Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Последовательная ОС по напряжению

Последовательная ОС
напряжению
по
Увеличивает входное и уменьшает
выходное сопротивление
Z вых
Z вых
1 K в
Z вх
Rг Z вх
где Кв – коэффициент передачи
усилителя в режиме холостого хода
Эмиттерный повторитель – яркий
пример Последовательной ООС по
напряжению
Степанов Константин Сергеевич

Параллельная ООС по току

Параллельная
Степанов Константин Сергеевич
ООС по току

Параллельная ООС понапряжению

Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Подготовлено Степановым К.С.

Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические элементы - устройства,
предназначенные для обработки
информации в цифровой форме
(последовательности сигналов высокого -
«1» и низкого - «0» уровней в двоичной
логике, последовательность "0", "1" и "2" в
троичной логике, последовательности "0",
"1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8"и "9" в
Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Физически, логические элементы
могут быть выполнены
механическими,
электромеханическими (на
электромагнитных реле),
электронными (на диодах и
транзисторах), пневматическими,
гидравлическими, оптическими и др.
Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

После доказательства в 1946 г. теоремы
Джона фон Неймана о экономичности
показательных позиционных систем
счисления стало известно о
преимуществах двоичной и троичной
систем счисления по сравнению с
десятичной системой счисления.
Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Двоичность и троичность позволяет
значительно сократить количество
операций и элементов, выполняющих
эту обработку, по сравнению с
десятичными логическими элементами.
Логические элементы выполняют
логическую функцию (операцию) с
входными сигналами (операндами,
данными).
Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические операции с одним
операндом называются унарными, с
двумя - бинарными, с тремя -
тернарными (триарными,
тринарными) и т. д.
Степанов Константин Сергеевич

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Из возможных унарных операций с
унарным выходом интерес для
реализации представляют операции
отрицания и повторения, причём,
операция отрицания имеет большую
значимость, чем операция повторения, Степанов Константин СергеевичA Мнемоническое правило Для эквивалентности с любым

На выходе будет:

действует четное количество «1»,

действует нечетное количество «1»,
Степанов Константин Сергеевич

Сложение по модулю 2 (2Исключающее_ИЛИ, неравнозначность). Инверсия равнозначности.

A
Степанов Константин Сергеевич
0
0
1
1
B
0
1
0
1
f(AB)
0
1
1
0

Мнемоническое правило

Для суммы по модулю 2 с любым
количеством входов звучит так:
На выходе будет:
"1" тогда и только тогда, когда на входа
действует нечётное количество «1»,
"0" тогда и только тогда, когда на входа
действует чётное количество «1»,
Степанов Константин Сергеевич

Благодарю за внимание
Степанов Константин Сергеевич

Глава 2 Полупроводниковые диодыПолупроводниковый
диод
представляет
собой
полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя
выводами. Большинство диодов изготовлены на основе
несимметричных p-n-переходов. При этом одна из областей
диода, обычно (р+) высоколегированна и называется эмиттер,
другая
(n)
слаболегированная
–
база.
Р-n-переход
размещается в базе т.к она слаболегирована.
Структура, условное обозначение и название выводов
показаны на рис. 3.1. Между каждой внешней областью
полупроводника и ее выводом имеется омический контакт,
который на рис. 3.1 показан жирной чертой.
В зависимости от технологии изготовления различают:
точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной
базой, эпитаксиальные и др.
По
функциональному
назначению
диоды
делятся:
выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и
стабисторы, варикапы, тунельные и обращенные, а также СВЧдиоды и др.

Классификация диодов по функциональному назначению и их УГО

2.1. Вольт-амперная характеристика диода

ВАХ реального диода имеет ряд отличий от ВАХ p-n-перехода (рис.3.2).
При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление
областей базы rб и эмиттера rэ диода (рис.3.3.), обычно rб>>rэ. Падение
напряжения на обьемном сопротивлении от тока диода, становятся
существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того,
часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате
напряжение непосредственно на р-n-переходе будет меньше напряжения,
приложенного к внешним выводам диода. Это приводит к смещению прямой
ветви ВАХ вправо (кривая 2) и почти линейной зависимости от приложенного
напряжения.
ВАХ диода с учетом обьемного сопротивления записывается выражением
φU
I I 0 e T 1
Uφ Irб
I I 0 e T 1
где Uпр - напряжение, приложенное к выводам; r - суммарное сопротивление базы и
электродов диода, обычно r=rб.
При обратном смещении диода ток диода не остается постоянным равным I0
т.е. наблюдается рост обратного тока.
Это объясняется тем, что обратный ток диода состоит из трех составляющих:
Iобр =I0 + Iтг + Iут
U φ Irб
T
I I0 e
1
где I0 – тепловой ток перехода;
Iтг – ток термогенерации. Он возрастает с увеличением обратного напряжения.
Это связано с тем, что p-n перехода расширяется, увеличивается его объем и
следовательно увеличивается количество неосновных носителей, образующихся
в нем за счёт термогенерации. Он на 4-5 порядка больше тока I0.
Iут – ток утечки. Он связан конечной величиной проводимости поверхности
кристалла, из которого изготовлен диод. В современных диодах он всегда
меньше термотока.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый
прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются
различные свойства р-n- перехода (одностороняя проводимость, электрический пробой,
туннельный эффект, эл. емкость).
Выпрямительный диод
Германиевый диод Кремниевый диод
Стабилитрон
Варикап
Тунельный диод
Обращенный диод

2.2. Эквивалентная схема диода

Это схема, состоит из электрических элементов, которые учитывают
физические процессы, происходящие в p-n переходе, и влияние
элементов конструкции на электрические свойства.
Эквивалентная схема замещения p-n переходеа при малых
сигналах, когда можно не учитывать нелинейных свойств диода
приведена на рис. .
Здесь Сд - общая емкость диода, зависящая от режима; Rп = Rдиф
- дифференциальное сопротивление перехода, значение которого
определяют с помощью статической ВАХ диода в заданной рабочей
точки (Rдиф = U/ I|U=const); rб - распределенное электрическое
сопротивление базы диода, его электродов и выводов, Rут –
сопротивление утечки.
Иногда схему замещения дополняют емкостью между выводами
диода СВ, емкостями Свх и Свых (показаны пунктиром) и
индуктивностью выводов LВ.
Эквивалентная схема при больших сигналах аналогична
предыдущей. Однако в ней учитываются нелинейные свойства р-nперехода путем замены дифференциального сопротивления на
источник зависимый источник тока I = I0(eU/ T – 1).

2.3. Влияние температуры на ВАХ диода

I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,
Температура окружающей среды оказывает существенное влияние на
вольтамперную характеристику диода. С изменением температуры несколько
меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.
При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных
носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока
перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: Iо и Iтг), а также
уменьшению объемного сопротивления области базы. При увеличении
температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у
германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость
обратного тока от температуры аппроксимируется выражением
I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,
где: I(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т*
- температура удвоения обратного тока - (5-6)0С – для Ge и (9-10)0С – для Si.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет
максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80- 100 °С
для германиевых диодов и 150 - 200 °С для кремниевых..
Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно
изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную
нестабильность обратной ветви ВАХ.
Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и
становится более крутой (рис. 3.3). Это объясняется ростом Iобр (3.2) и
уменьшением rб, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а
напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении
на внешних выводах.
Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится
температурный коэффициент напряжения (ТКН) т= U/ T, показывающий,
как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на
10С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до
+60"С т -2,3 мВ/°С.

2.4. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного
переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением
понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления
используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.
В качестве выпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших
токов используют плоскостные диоды. Они имеют большую площадь контакта р и п областей
и большую барьерную емкость (емкостное сопротивление Xc=1/(ωC), что не позволяет
выпрямлять на высоких частотах. Кроме того такие диоды имеет большую величину
обратного тока.
Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды,
являются (рисунок 2.1):
- максимальный прямой ток Iпр max;
- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр (Uпр
0.3...0,7 В для германиевых диодов и Uпр 0,8...1,2 В -для кремниевых);
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр max ;
- обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значение
обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у
кремниевых);
- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения
некоторой величины;
- Fмах - диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного
снижения выпрямленного тока;
- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне 60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми
обратными токами кремниевых диодов).
Средняя рассеиваемая мощность диода Рср Д – средняя за период мощность
рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.
Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока
службы или пробою диода.
Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно
увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов
позволяет также увеличить прямой ток.

Однофазный однополупериодный выпрямитель
Однофазный двухполупериодный
выпрямитель со средней точкой
Промышленностью
выпускаются
кремниевые
выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные
напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при
обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для
одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для
увеличения
выпрямленного
тока
можно
применяться
параллельное включение диодов.
1) Однополупериодный выпрямитель. Трансформатор
служит для понижения амплитуды переменного напряжения.
Диод служит для выпрямления переменного тока.
2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема
имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не
используется часть энергии первичного источника питания
(отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в
схеме двухполупериодного выпрямителя.
В первый положительный (+) полупериод, ток
протекает так: +, VD3, RH↓, VD2, - .
Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, RH↓ , VD1,- .
В обоих случаях он
через нагрузку протекает в одном
направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление
тока.
Однофазный мостовой выпрямитель

2.5. Импульсные диоды

Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах.Диоды в
таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:
1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю Rvd =0.
2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно Rvd=∞.
Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое
сопротивление при смещениях в прямом направлении,и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении.
1. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами,
ограничивающими скорость переключения диода, является:
а) ёмкость диода.
б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.
В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает
величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (Iпрям.max.). Импульсные
диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с
быстродействием переключения. К ним относятся:Время установления прямого напряжения на диоде (tуст): tуст. –
время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с
заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за
счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала
концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе
увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода. Время восстановления обратного сопротивления диода
(tвосст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения
полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной
точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании
прямого тока. tвосст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего
стационарного значения, с заданной точностью I0, обычно 10% от максимального обратного тока. tвосст.= t1.+ t2. , где
t1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в
ноль, t2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода. В
целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

2.7. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, изготовленный из слабо
легированного кремния, который применяется для стабилизации постоянного
напряжения. ВАХ стабилитрона при обратном смещении имеет участок малой
зависимости напряжения от тока протекающего через него. Этот участок возникает за
счёт электрического пробоя (рис. 1.5).
Стабилитрон характеризуется следующими параметрами:
Номинальное напряжение стабилизации Uст. ном - номинальное напряжение
на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);
номинальный ток стабилизации Iст.ном – ток через стабилитрон при
номинальном напряжении стабилизации;
минимальный ток стабилизации Iст min - наименьшее значение тока
стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;
максимально допустимый ток стабилизации Iст max - наибольший ток
стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.
Дифференциальное сопротивление
Rст- отношение приращения напряжения
стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: Rст=
ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации:
ТКН
Uст / Iст.
U ст.ном.
100%
U ст.ном. T
– относительное изменение напряжения на стабилитроне приведённое к одному
градусу.
Uст.ном. < 5В – при туннельном пробое.
Uст.ном. > 5В – при лавинном пробое.
К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток
Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max, максимально допустимую
рассеиваемую мощность Р max.

Параметрический стабилизатор напряжения (рис.9.). Он служит для обеспечения
постоянства напряжения на нагрузке (Uн) при изменении постоянного напряжения
питания (Uпит) или сопротивления нагрузки (Rн).
Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Ограничительное
сопротивление (Rогр) служит для установления и поддержания правильного режима
стабилизации. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки ВАХ стабилитрона (рис.5).
Схема обеспечивает стабилизацию напряжения за счёт перераспределения токов IVD и
IН
Проведем анализ работы схемы.
По второму закону запишем соотношение:Uпит = (IVD + IН) Rогр+ Uн
Изменение напряжения питания на Uпит, приводит к появлению приращения
напряжению на нагрузке на Uн и токов IVD = Uн/rст, IН= Uн/ Rн. Запишем
исходное уравнение относительно приращений:
Uпит = (Uн/rст + Uн/ Rн) Rогр+ Uн = Uн(1/rст + 1/Rн) Rогр+ Uн.
Разрешим его относительно Uн, получим Uн = Uн/
Поскольку Rогр/rст велико, то Uн мало. Чем больше Rогр и меньше rст тем меньше
изменения выходного напряжения.
Расчёт схемы (обычно задано Uпит. и RН):
Выбор стабилитрона VD1 из условий:
и Iст.ном.> Iн.
2)Расчет
Rогр.
U вх. U ст.ном.
I ст.ном.
U ст.ном. U вых.
Разновидности стабилитронов:
1. Прецизионные. Они имею малое значение ТКН и нормированную величину
Uст.ном. Малое ТКН достигается путем включения последовательно со стабилитроном
(VD2), имеющим положительный ТКН диоды (VD1) в прямом направлении, ТКН которого
отрицателен. Поскольку общий ТКН равен их сумме, то он оказывается малым по
величине.
2. Двуханодный стабилитрон. Он состоит из двух стабилитронов включенных
встречно-последовательно и применяется для стабилизации амплитуды переменных
напряжений.
Стабисторы – это полупроводниковые диоды в которых для
стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. В таких
диодах база сильно легирована примесями (rб→0), а потому их прямая
ветвь практически идет вертикально. Параметры стабистора аналогичны
параметрам стабилитрона. Они применяются для стабилизации малых
напряжений (Uст.ном. ≈0.6В).), ток стабисторов – от 1мА до нескольких
десятков мА и отрицательный ТКН.

2.9. Туннельные и обращенные диоды

На границе сильно легированных (вырожденных) p-n структур с концентрацией примеси
имеет место туннельный эффект. n 10 20 эл/см 3
Он проявляется в том, что при прямом смещении на прямой ветви ВАХ появляется
спадающий участок АВ с отрицательным сопротивления Rдиф = U/ I|АВ=r- 0.
Пунктиром на графике показана ВАХ диода.
Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических
колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсных устройствах.
При обратном смещении ток из-за тунельного пробоя резко возрастает при малых
напряжениях.
Основные параметры туннельного диода следующие:
пиковый ток и напряжение пика Iп, Uп- ток и напряжение в точке А;
ток и напряжение впадины IВ - ток и напряжение в точке В;
отношение токов Iп/Iв;
напряжение пика - прямое напряжение, соответствующее току пика;
напряжение раствора Up - прямое напряжение, большее напряжения впадины, при
котором ток равен пиковому; индуктивность LД - полная последовательная индуктивность
диода при заданных условиях; удельная емкость Сд/Iп - отношение емкости туннельного
диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление гдиф - величина, обратная
крутизне ВАХ; резонансная частота туннельного диода fо - расчетная частота, при
которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса
туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота fR - расчетная
частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной
цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая
постоянная туннельного диода Кш - величина, определяющая коэффициент шума диода;
сопротивление потерь туннельного диода Rn - суммарное сопротивление кристалла,
контактных присоединений и выводов.
К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный
прямой ток туннельного диода Iпр max, максимально допустимый прямой импульсный ток
Iпр.и max максимально допустимый постоянный обратный ток Iобр mах,
максимально допустимую мощность СВЧ Рсвч mах, рассеиваемую диодом.

Схема генератора гармонических колебаний на
ТД приведена на рис. . Назначение элементов: R1,
R2 – резисторы, задают рабочую точку туннельного
диода на середине участка ВАХ с отрицательным
сопротивлением; Lk, Ck – колебательный контур; Сбл
ёмкость
блокировочная,
по
переменной
составляющей она подключает туннельный диод
параллельно к колебательному контуру.
Туннельный диод, включённый параллельно
колебательному
контуру
компенсирует
своим
отрицательным
сопротивлением
сопротивление
потерь колебательного контура, а потому колебания
в нем могут продолжаться бесконечно долго.
Обращенные диоды являются разновидностью
туннельных диодов. В них концентрация примесей
несколько меньше чем в туннельных. За счет этого у
них
отсутствует
участок
с
отрицательным
сопротивлением. На прямой ветви до напряжений
0,3-0,4В
имеется
практически
горизонтальный
участок с малым прямым током (рис. .), в то время
как
ток
обратной
ветви
начиная
с
малых
напряжений, за счет туннельного пробоя, резко
возрастает. В этих диодах, для малых переменных
сигналов,
прямую
ветвь
можно
считать
не
проводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и
название этих диодов.
Обращенные
диоды
используются
для
выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100300)мВ.

2.10. Маркировка полупроводниковых диодов

Маркировка состоит из шести элементов, например:
КД217А
или К С 1 9 1 Е
123456
123456
1 - Буква или цифра, указывает вид материала, из которого изготовлен диод:
1 или Г – Ge (германий); 2 или К – Si (кремний); 3 или А – GeAs.
2 - буква, указывает тип диода по его функциональному назначению:
Д – диод; С – стабилитрон, стабистор; В – варикап; И – туннельный диод; А –
СВЧ диоды.
3. Назначение и электрические свойства.
4 и - 5 указывают порядковый номер разработки или электрические свойства
(в стабилитронах – это напряжение стабилизации; в диодах – порядковый
номер).
6. - Буква, указывает деление диодов по параметрическим группам (в
выпрямительных диодах – деление по параметру Uобр.max, в стабилитронах
деление по ТКН).

Дисциплина: Электротехника и электроника

Лектор: Погодин Дмитрий Вадимович
Кандидат технических наук,
доцент кафедры РИИТ
(кафедра Радиоэлектроники и
информационно-измерительной
техники)
Электротехника и электроника

Слайд 2

Область применения

Основным свойством диода является то, что он хорошо пропускает ток в одну сторону, но почти не пропускает ток в другую сторону. С помощью нескольких диодов можно преобразовать переменный ток в постоянный, на котором работают большинство компактных электронных устройств

Слайд 3

Устройство диода

Диод представляет собой пластинку германия (c проводимостью p-типа) и индия (n – типа)

Слайд 5

Принцип работы

Таким образом, если к аноду (+) приложить положительное напряжение, а к катоду (-) ток будет легко проходить. Такое подключение называется положительным включением диода. При обратном включении диода (т.е. если к аноду (-), а к катоду (+) ток проходить не будет.

Слайд 7

Плоскостной диод Нетрудно видеть, что у такого диода площадь p-n перехода намного больше, чем у точечного. У мощных диодов эта площадь может достигать до 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их прямой ток намного больше, чем у точечных. Именно плоскостные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, как правило, не свыше нескольких десятков килогерц.

Слайд 2

Диод- электровакуумные или полупроводниковые приборы, которые пропускают переменный электрический ток только в одном направлении и имеют два контакта для включения в электрическую цепь.

Слайд 3

Диод имеет два контакта, которые называют анодом и катодом. При включении диода в электрическую цепь ток протекает от анода к катоду. Умение проводить ток только в одну сторону - основное свойство диода. Диоды относятся к классу полупроводников и считаются активными электронным компонентам (резисторы и конденсаторы - пассивными).

Слайд 4

Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Это свойство и определяет назначение диода: – преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование); – выпрямление переменного тока в постоянный Свойства диода

Слайд 5

Классификация диодов По исходному полупроводниковому материалу диоды делят на четыре группы: германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и фосфида индия. Германиевые диоды используются широко в транзисторных приемниках, так как имеют выше коэффициент передачи, чем кремниевые. Это связано с их большей проводимостью при небольшом напряжении (около 0,1…0,2 В) сигнала высокой частоты на входе детектора и сравнительно малом сопротивлении нагрузки (5…30 кОм). Полупроводниковые диоды

Слайд 6

По конструктивно-технологическому признаку различают диоды точечные и плоскостные. По назначению полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы: выпрямительные, универсальные, импульсные, варикапы, стабилитроны (опорные диоды), стабисторы, туннельные диоды, обращенные диоды, лавинно-пролетные (ЛПД), тиристоры, фотодиоды, светодиоды и оптроны.

Слайд 7

Диоды характеризуются такими основными электрическими параметрами: – током, проходящим через диод в прямом направлении (прямой ток Іпр); – током, проходящим через диод в обратном направлении (обратный ток Іобр); – наибольшим допустимым выпрямленным ТОКОМ выпр. макс; – наибольшим допустимым прямым током І пр.доп.; – прямым напряжением U n p ; – обратным напряжением и об Р; – наибольшим допустимым обратным напряжением и обр.макс – емкостью Сд между выводами диода; – габаритами и диапазоном рабочих температур

Слайд 8

При подключении диода в цепь должна быть соблюдена правильная полярность. Чтобы было легко определить расположение катода и анода, на корпус или на один из выводов диода наносят специальные метки. Встречаются различные способы маркировки диодов, но чаще всего на сторону корпуса, соответствующую катоду, наносят кольцевую полоску. Если маркировка диода отсутствует, то выводы полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительного прибора - диод пропускает ток только в одну сторону Работа диода

Слайд 9

Работу диода можно наглядно представить при помощи простого эксперимента. Если к диоду через маломощную лампу накаливания подключить батарею так, чтобы положительный вывод батареи был соединен с анодом, а отрицательный - с катодом диода, то в получившейся электрической цепи потечет ток и лампочка загорится. Максимальная величина этого тока зависит от сопротивления полупроводникового перехода диода и поданного на него постоянного напряжения. Данное состояние диода назвается открытым, ток, текущий через него, - прямым током I пр, а поданное на него напряжение, из-за которого диод оказался в открытым, - прямым напряжением U пр. Если выводы диода поменять местами, то лампа не будет светиться, так как диод будет находиться в закрытом состоянии и оказывать току в цепи сильное сопротивление. Стоит отметить, что небольшой ток через полупроводниковый переход диода в обратном направлении все же потечет, но в сравнении с прямым током будет настолько маленьким, что лампочка даже не среагирует. Такой ток называют обратым током I обр, а напряжение, создающее его,- обратным напряжением U обр.

10

Слайд 10

Маркировка диодов На корпусе диода обычно указывают материал полупроводника, из которого он изготовлен (буква или цифра), тип (буква), назначение или электрические свойства прибора (цифра), букву, соответствующую разновидности прибора, и дату изготовления, а также его условное обозначение. Условное обозначение диода (анод и катод) указывает, как нужно подключать диод на платах устройств. Диод имеет два вывода, один из которых катод (минус), а другой - анод (плюс). Условное графическое изображение на корпусе диода наносится в виде стрелки, указывающей прямое направление, если стрелки нет, то ставится знак « + ». На плоских выводах некоторых диодов (например, серии Д2) прямо вьіштамповано условное обозначение диода и его тип. При нанесении цветового кода, цветную метку, точку или полоску наносят ближе к аноду (рис. 2.1). Для некоторых типов диодов используется цветная маркировка в виде точек и полосок (табл. 2.1). Диоды старых типов, в частности точечные, выпускались в стеклянном оформлении и маркировались буквой « Д » с добавлением цифры и буквы, обозначающих подтип прибора. Германиево-индиевые плоскостные диоды имели обозначение « Д7 ».

11

Слайд 11

Система обозначений Система обозначений состоит из четырех элементов. Первый элемент (буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 - германий* К или 2 - кремний, А или 3 - арсенид галлия, И или 4 - фосфид индия. Второй элемент - буква, показывающая класс или группу диода. Третий элемент - число, определяющее назначение или электрические свойства диода. Четвертый элемент указывает порядковый номер технологической разработки диода и обозначается от А до Я. Например, диод КД202А расшифровывается: К - материал, кремний, Д - диод выпрямительный, 202 - назначение и номер разработки, А - разновидность; 2С920 - кремниевый стабилитрон большой мощности разновидности типа А; АИЗ01Б - фосфид-индиевый туннельный диод переключающей разновидности типа Б. Иногда встречаются диоды, обозначенные по устаревшим системам: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18. Диоды Д7 отличаются от диодов ДГ-Ц цельнометаллической конструкцией корпуса, вследствие чего они надежнее работают во влажной атмосфере. Германиевые диоды типа ДГ-Ц21…ДГ-Ц27 и близкие к ним по характеристикам диоды Д7А…Д7Ж обычно используют в выпрямителях для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока. В условное обозначение диода не всегда входят некоторые технические данные, поэтому их необходимо искать в справочниках по полупроводниковым приборам. Одним из исключений является обозначение для некоторых диодов с буквами КС или цифрой вместо К (например, 2С) - кремниевые стабилитроны и стабисторы. После этих обозначений стоит три цифры, если это первые цифры: 1 или 4, то взяв последние две цифры и разделив их на 10 получим напряжение стабилизации Uст. Например, КС107А - стабистор, Uст = 0,7 В, 2С133А - стабилитрон, Uст = 3,3 В. Если первая цифра 2 или 5, то последние две цифры показывают Uст, например, КС 213Б - Uст = 13 В, 2С 291А - 0Uст = 91 В, если цифра 6, то к последним двум цифрам нужно прибавить 100 В, например, КС 680А – Uст = 180 В.

12

Слайд 12

Структурная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: 1 - кристалл; 2 - выводы (токоподводы); 3 - электроды (омические контакты); 4 - плоскость р - n-перехода. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р - n-переходом: U - напряжение на диоде; I - ток через диод; U* oбр и I* oбр - максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; U cт - напряжение стабилизации.

13

Слайд 13

Малосигнальная (для низких уровней сигнала) эквивалентная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: r p-n - нелинейное сопротивление р - n-перехода; r б - сопротивление объёма полупроводника (базы диода); r yт - сопротивление поверхностных утечек; С Б - барьерная ёмкость р - n-перехода; С диф - диффузионная ёмкость, обусловленная накоплением подвижных зарядов в базе при прямом напряжении; С к - ёмкость корпуса; L к - индуктивность токоподводов; А и Б - выводы. Сплошной линией показано подключение элементов, относящихся к собственно р - n-переходу. Вольтамперные характеристики туннельного (1) и обращенного (2) диодов: U - напряжение на диоде; I - ток через диод

14

Слайд 14

Полупроводниковые диоды (внешний вид): 1 - выпрямительный диод; 2 - фотодиод; 3 - СВЧ диод; 4 и 5 - диодные матрицы; 6 - импульсный диод. Корпуса диодов: 1 и 2 - металло-стеклянные; 3 и 4 - металло-керамические; 5 - пластмассовый; 6 - стеклянный

15

Слайд 15

Диод Шоттки Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами. Стабилитрон / диод Зенера / Стабилитрон препятствует превышению напряжения выше определённого порога на конкретном участке схемы. Может выполнять как защитные так и ограничительные функции, работают они только в цепях постоянного тока. При подключении следует соблюдать полярность. Однотипные стабилитроны можно соединять последовательно для повышения стабилизируемого напряжения или образования делителя напряжений. Варикап Варикап (по другому емкостной диод) меняет своё сопротивление в зависимости от поданного на него напряжения. Применяется как управляемый конденсатор переменной емкости, например, для настройки высокочастотных колебательных контуров.

16

Слайд 16

Тиристор Тиристор имеет два устойчивых состояния: 1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости, 2) открытое, то есть состояние высокой проводимости. Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое. Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод - используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А и более, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ. Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках

17

Слайд 17

Светодиод диоды Генри Раунда Светодиод излучает свет при пропускании через него электрического тока. Светодиоды применяются в устройствах индикации приборов, в электронных компонентах (оптронах), сотовых телефонах для подсветки дисплея и клавиатуры, мощные светодиоды используют как источник света в фонарях и т.д. Светодиоды бывают разного цвета свечения, RGB и т.д.

18

Последний слайд презентации: Диод

Инфракрасный диод Инфракрасные светодиоды (сокращенно ИК диоды) излучают свет в инфракрасном диапазоне. Области применения инфракрасных светодиодов это оптические контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного управления, оптронные коммутационные устройства, беспроводные линии связи. Ик диоды обозначаются так же как и светодиоды. Инфракрасные диоды излучают свет вне видимого диапазона, свечение ИК диода можно увидеть и посмотреть например через камеру сотового телефона, данные диоды так же применяют в камерах видеонаблюдения, особенно на уличных камерах чтобы в темное время суток была видна картинка. Фотодиод Фотодиод преобразует свет попавший на его фоточувствительную область, в электрический ток, находит применение в преобразовании света в электрический сигнал.

Подобные документы

Вольтамперная характеристика диода, его выпрямительные свойства, характеризуемые отношением обратного сопротивления к прямому. Основные параметры стабилитрона. Отличительная особенность туннельного диода. Использование светодиода в качестве индикатора.

лекция, добавлен 04.10.2013


Выпрямительные диоды Шоттки. Время перезарядки барьерной ёмкости перехода и сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого диода Шоттки 2Д219 при разных температурах. Импульсные диоды. Номенклатура составных частей дискретных полупроводниковых приборов.

реферат, добавлен 20.06.2011


Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств. Основная задача и материалы фотоприемников. Механизмы генерации неосновных носителей в области пространственного заряда. Дискретные МПД-фотоприемники (металл - диэлектрик - полупроводник).

реферат, добавлен 06.12.2017


Общие сведения о полупроводниках. Приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. Характеристика и параметры выпрямительных диодов. Параметры и предназначение стабилитронов. Вольтамперная характеристика туннельного диода.

реферат, добавлен 24.04.2017


Физические основы полупроводниковой электроники. Поверхностные и контактные явления в полупроводниках. Полупроводниковые диоды и резисторы, фотоэлектрические полупроводниковые приборы. Биполярные и полевые транзисторы. Аналоговые интегральные микросхемы.

учебное пособие, добавлен 06.09.2017


Выпрямительные диоды. Эксплуатационные параметры диода. Эквивалентная схема выпрямительного диода для работы на сверхвысоких частотах. Импульсные диоды. Стабилитроны (опорные диоды). Основные параметры и вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Электропроводность полупроводников, действие полупроводниковых приборов. Рекомбинация электронов и дырок в полупроводнике и их роль в установлении равновесных концентраций. Нелинейные полупроводниковые резисторы. Верхние разрешенные энергетические зоны.

лекция, добавлен 04.10.2013


Вольт-амперная характеристика туннельного диода. Описания варикапа, в котором используется емкость p-n-перехода. Исследование режимов работы фотодиода. Светоизлучающие диоды - преобразователи энергии электрического тока в энергию оптического излучения.

презентация, добавлен 20.07.2013


Определение величины сопротивления ограничительного резистора. Расчет напряжения холостого хода перехода диода. Температурная зависимость удельной проводимости примесного полупроводника. Рассмотрение структуры и принципа работы диодного тиристора.

контрольная работа, добавлен 26.09.2017


Группы полупроводниковых резисторов. Варисторы, нелинейность вольт. Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, изменяющие своё сопротивление под действием светового потока. Максимальная спектральная чувствительность. Плоскостные полупроводниковые диоды.