Тема: Полупроводниковые резисторы.

Вопросы:1. Терморезисторы.

2. Фоторезисторы.

3. Варисторы.

Полупроводниковые резисторы – это обширный класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

Терморезисторы – полупроводниковые резисторы сопротивление которых сильно зависит от температуры. Они изготавливаются из смеси оксидов кобальта и марганца и выполняются в виде дисков (рис. 1а), миниатюрных бусинок, плоских прямоугольников (рис. 1б). Терморезисторы делятся на два класса:

1) Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (ТКС), сопротивление которых с ростом температуры увеличивается.

2) Терморезисторы с положительным ТКС, изготавливаемые на основе титана бария и называемые позисторами.

Условное графическое обозначение данных терморезисторов приведены соответственно на рис. 2.

В терморезисторах с отрицательным ТКС уменьшение сопротивления с ростом температуры обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда или увеличением их подвижности. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры определяется уравнением (1) где А – коэффициент зависящий от удельного сопротивления полупроводника; В – коэффициент температурной чувствительности, определяемый свойствами полупроводника. Т – температура, К.

На рис. 3 изображена температурная характеристика терморезистора, соответствующая выражению (1).

ВАХ терморезистора представляет собой зависимость между напряжением на терморезисторе и проходящим через него током (рис. 4). Она имеет три основных участка: ОА; АВ; ВС. На участке ОА характеристика линейна, т.к. при малых токах тепловая мощность, выделяющаяся в терморезисторе, мала и не влияет на его температуру. На участке АВ с ростом тока температура терморезистора повышается и его сопротивление падает. При дальнейшем увеличении тока на участке ВС уменьшение сопротивления столь значительно, что рост тока ведет к уменьшению напряжения на терморезисторе.

Основные параметры терморезистора:

R_{Т ном} – номинальное сопротивление терморезистора при t=20⁰.

Т – диапазон рабочих температур.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

Различают терморезисторы, реагирующие на внешний нагрев и нагрев током, проходящим через рабочее тело терморезистора. Первые используют в качестве датчиков температуры окружающей среды. Вторые применяют для регулирования процессов в электрических цепях.

На рис. 5 изображена схема для измерения температуры, в которой чувствительным элементом является терморезистор R_К. Балансировка четырехплечего моста выполняется при определенной температуре окружающей среды. Когда терморезистор оказывается в среде с другой температурой его сопротивление изменяется, мост разбалансируется и в цепи измерительного прибора появляется электрический ток, пропорциональный температуре среды.

2^йВопрос. Фоторезисторы.

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, вследствие чего проводимость полупроводника возрастает. Т.к. следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию:

где h – постоянная Планка ( )

- ширина запрещенной зоны полупроводника.

- критическая частота э.м. излучения. Критической частоте соответствует граничная длина волны: где с – скорость света м/с. При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Фотопроводимость полупроводников обнаруживается в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра, в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая в свою очередь зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля. Поскольку при освещении полупроводника светом меняется его внутреннее сопротивление, то данное явление получило название фоторезистивного эффекта.

Фоторезисторы – это полупроводниковые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. Материалом для изготовления фоторезистора служит сернистый свинец, сульфид кадмия и селенид кадмия. Данный материал наносят на диэлектрическое основание (подложку) из стекла. Подложку с полупроводниковым слоем помещают в металлический или пластмассовый корпус с окошком для прохождения светового потока. На рис. 6 изображено условное графическое изображение фоторезистора на принципиальной схеме. На рис. 7 изображена схема включения фоторезистора. При отсутствии освещения ( ) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_тем и темновой ток, проходящий в цепи фоторезистора, мал и определяется выражением .

При наличии светового потока ( ) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения R_св и ток, протекающий по цепи, будет равен:

.

Разность токов I_св – І_тем определяет фототок

.

На рис. 8 показаны ВАХ фоторезистора, соответствующие затемнению (1) и осветлению (2).

Параметры фоторезистора:

І_тем – темновой ток; I_св – световой ток; І_ф – фототок.

- интегральная чувствительность.

U_р – допустимое рабочее напряжение, при котором светочувствительный слой еще не поврежден.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

- кратность изменения сопротивлений.

Обозначение СФ 2-5 (СФ – сопротивление фоточувствительное)

2 – обозначение материала

5 – обозначение конструктивного оформления.

3^йВопрос. Варисторы.

Варистор – это нелинейный полупроводниковый резистор из карбида кремния, сопротивление которого с увеличением приложенного напряжения уменьшается.

На рис. 9 изображено УГО варистора на принципиальной электрической схеме, а на рис. 10 изображена ВАХ варистора.

Основной особенностью варистора является нелинейность его ВАХ, объясняемая явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.

Основные параметры варисторов:

R_ст – статическое сопротивление, или сопротивление варистора при постоянных величинах тока и напряжения. .

R_дин – динамическое сопротивление или сопротивление варистора переменному ток. для данной точки определяется как тангенс угла наклона характеристики.

= коэффициент нелинейности.

– показатель нелинейности.

На рис. 11 изображено включение варистора в схему, предназначенную для стабилизации выходного напряжения. Входное напряжение U_вх распределяется между ограничивающим резистором R_огр и параллельно включенным варистором и сопротивлением нагрузки. Напряжение на резисторе R_н не может увеличиваться пропорционально увеличению входного напряжения U_вх, т.к. с ростом выходного напряжения U_Rн уменьшается сопротивление варистора RU, увеличивается входной ток I_вх и падение напряжения на резисторе R_огр.

Тема: Полупроводниковые диоды.

Вопросы:1. Общая характеристика и классификация полупроводниковых диодов.

2.Выпрямительные диоды.

3.Стабилитроны и стабисторы.

4.Варикапы.

5.Фотодиоды.

6.Светодиоды.

7.Металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

8.Туннельные диоды.

9.Импульсные диоды.

1^йВопрос. Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним рn-переходом и двумя выводами. Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей называется эмиттером, а другая с меньшей концентрацией – базой. Обычно база имеет электропроводность n-типа и ее толщина значительно больше области эмиттера имеющей электропроводность р-типа. К р и n областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, называемые соответственно анодом и базой (рис. 1а). На рис. 1б показано условное графическое изображение диода на принципиальных схемах. ВАХ диода показана на рис. 3 и представляет собой не что иное как ВАХ рn перехода.

По признакам, положенным в основу классификации, диоды делят на следующие группы:

I По роду исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенид галлиевые и др.

II По конструктивно технологическим признакам:

1) Точечные – это диоды у которых рn переход образуется в месте контакта полупроводника с острием металлической проволоки-пружины. Для надежного контакта по проволоке пропускают импульс тока вплавляющий острие металла в полупроводник. В результате диффузии металла в полупроводник образуется полусферический рn переход (рис. 2а). Благодаря малой площади рn перехода, диод обладает очень малой емкостью перехода и используется в электрических цепях с частотой тока до сотен МГц. Но малая площадь рn перехода определяет также и небольшой допустимый ток диода.

2) Плоскостные сплавные – это диоды у которых р-n переход выполняют методом сплавления полупроводниковой пластины с металлом. Металл, содержащий донорные или акцепторные примеси, накладывают на полупроводник и нагревают до температуры, когда часть полупроводника растворяется в полученном расплаве. При охлаждении происходит рекристаллизация полупроводника с примесью вплавленного металла и образуется р-n переход (рис. 2б, в).

3) Диффузионные – это диоды у которых рn переход изготавливают посредством диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах. Если диффузия примеси проводится через отверстие в защитном слое на поверхности полупроводника, то получают планарный р-n переход (рис. 2г).

III По физическим свойствам и назначению: на выпрямительные и специальные.

А) Выпрямительные диоды в зависимости от частоты и формы переменного напряжения делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Б) Специальные – это типы диодов в которых используют различные свойства р-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

IV По основным электрическим параметрам диоды различаются величинами допустимых токов, напряжений, мощностей.

2. Для защиты рn перехода от воздействия окружающей среды кристалл полупроводника с образованным в нем рn переходом помещают в герметичный корпус. Размеры кристалла, а также габариты и форма корпуса определяются максимальной рассеиваемой диодом мощностью, величиной его рабочего тока и некоторыми другими показателями. На рис. 4 изображена одна из конструкций маломощного полупроводникового диода. Кристалл 1, содержащий р-n переход, припаивают к кристаллодержателю 2, который служит омическим контактом и теплоотводом. Этот контакт соединен с корпусом 3 и является внешним выводом. Второй вывод диода 4 отделен от корпуса изолятором 5.

2^йВопрос. Выпрямительные диоды.

Выпрямительными называют диоды предназначенные для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный производимого на основе свойства односторонней проводимости электронно-дырочных переходов. На рис. 5 показана простейшая схема диодного выпрямителя. При подаче на вход выпрямителя переменного напряжения, изменяющегося, например, по гармоническому закону (рис. 6а), ток через диод и сопротивление нагрузки R_Н протекает лишь в течение положительных полупериодов входного напряжения (рис. 6б). Следовательно напряжение на нагрузке, как и ток будет носить пульсирующий характер (рис. 6в). Качество выпрямленного напряжения можно улучшить, подключив параллельно нагрузке емкость С. В течение положительных полупериодов входного напряжения, когда диод проводит ток, емкость С заряжается. В отрицательные полупериоды входного напряжения, емкость С разряжается на нагрузку R_Н, чем обеспечивается сглаживание пульсации напряжения на выходе.

Параметры выпрямительных диодов:

1) I_{пр max} – максимально допустимый прямой ток (рис. 7).

2) U_{пр. max} – прямое падение напряжения на диоде соответствующее току I_{пр max} (рис. 7).

3) U_проб. – максимально допустимое обратное напряжение на диоде (рис. 7).

4) I_{обр ном} – номинальный обратный ток (рис. 7).

5) I_{выпр. сред. max} – максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод не вызывая изменения его параметров (рис. 6б).

6) R_пр; R_обр – статические прямое и обратное сопротивления диода. Это сопротивление диода по постоянному току для заданных точек ВАХ.

; (рис. 8). У выпрямительных диодов R_пр составляет единицы-десятки Ом; R_обр – сотни кОм.

7) R_д.пр; R_д.обр – динамические (дифференциальные) сопротивления диода, характеризующие его свойства к небольшим изменениям (приращениям) тока и напряжения. ; (рис. 7).

8) Р_max – максимально допустимая мощность, которую диод рассеивает в окружающее пространство в виде тепла.

3^йВопрос. Стабилитроны и стабисторы.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, используемые для стабилизации электрического напряжения. На обратной ветви ВАХ стабилитрона имеется четко выраженный участок электрического пробоя (рис. 9), на котором напряжение остается практически постоянным при изменении тока а широких пределах. Это позволяет использовать стабилитрон для стабилизации напряжения. Участок пробоя на обратной ветви ВАХ является рабочим участком стабилитрона. На рис. 10 показано условное графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.

Параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации, практически совпадающее с напряжением пробоя.

2. I_{ст. min}, I_{ст max.} – предельные величины рабочих токов стабилитрона.

3. - дифференциальное сопротивление на участке стабилизации.

4. температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

На рис. 11 представлена принципиальная схема стабилизатора на стабилитроне. Он содержит два элемента – стабилитрон, включаемый параллельно нагрузке R_н и балластное сопротивление R_б. При изменении входного напряжения на величину возникает приращение тока , которое практически полностью ответвляется в стабилитрон, т.к. его сопротивление в режиме пробоя существенно меньше R_н. Поскольку при изменении тока на рабочем участке стабилитрона напряжение на его зажимах меняется мало, то практически все приращение входного напряжения выделяется на балластном сопротивлении . При этом напряжение на нагрузке меняется незначительно.

При изменении сопротивления нагрузки, но неизменном U_вх, ток проходящий через сопротивление R_б остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и стабистором.

Стабисторами называют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в режиме прямого смещения. Их отличительной особенностью в сравнении со стабилитронами, является меньшее напряжение стабилизации.

4^йВопрос. Варикапом называется полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости С_бар от значения приложенного обратного напряжения, что позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения приложенного обратного напряжения, называемая вольтфарадной характеристикой (рис. 12).

Параметры варикапа:

1) С_ном – номинальная емкость при заданном внешнем напряжении U_ном.

2) С_max, C_min – максимальная и минимальная емкости в пределах заданного диапазона изменения обратного (управляющего) напряжения от U_min до U_max.

3) Температурный коэффициент емкости где - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды.

На рис. 13 приведено условное графическое обозначение варикапа на принципиальных схемах. В основном варикапы используются для электронной настройки частоты колебательных контуров: рис. 14.

5^йВопрос.При освещении р-n перехода и примыкающих к нему участков полупроводников между ними возникает электродвижущая сила. Этот эффект называют фотогальваническим (или внутренним фотоэффектом).

На рис. 16 поток падающих на полупроводники фотонов, создает в них некоторое количество подвижных носителей зарядов – электронов и дырок. Часть из них, диффундируя к переходу, достигает его границы. На границе перехода электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем перехода. Неосновные носители, для которых поле перехода будет ускоряющим, выбрасываются этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем перехода в своей области, создавая накопление некомпенсированных зарядов и образуя на р-n переходе добавочную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой (фото Э.Д.С.). Фото Э.Д.С. зависит от интенсивности светового потока и обычно составляет десятые доли вольта. Если цепь рn структуры при этом замкнуть, то в ней под действием фото Э.Д.С. возникает электрический ток, сила которого зависит от величины светового потока и сопротивления нагрузки.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, работа которого основана на явлении внутреннего фотоэффекта, и предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую. УГО фотодиода показано на рис. 15. Фотодиоды изготавливаются на основе германия, кремния, сернистого серебра, арсенида галлия. Конструктивно фотодиоды состоят из двух слоев полупроводника с электропроводностями разных типов, на границе между которыми создается рn- переход. В конструкции фотодиодов предусмотрена возможность попадания светового потока в область р-n перехода.

Режимы работы фотодиода: Фотогенераторный (без внешнего источника), Фотопреобразовательный (с внешним источником) питания.

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф=0) диффузионная и дрейфовая составляющие токов р-n перехода уравновешиваются и ток через переход равен 0.

При освещении в области р-n перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного нескомпенсированного заряда разделяет эти пары: дырки дрейфуют в Р-область, электроны в N. Возникновение дополнительного числа неосновных носителей заряда приводит к возрастанию дрейфового тока через р-n переход на величину представляющую собой фототок I_Ф, т.е. I_ДР=I₀+I_Ф где I₀ – тепловой ток через р-n переход.

Т.к. в результате освещения в р области накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в n области с отрицательным, то между электродами появится разность потенциалов, называемая фото э.д.с. и имеющая полярность указанную на рис. 18. (У кремниевых диодов 0,5-0,6 В; у германиевых 0,3-0,4 В).

6^йВопрос.Процесс преобразования в рn структуре энергии электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называется электролюминисценцией. При подаче прямого напряжения на рn переход, через него проходит ток и в прилежащих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов – электронов и дырок. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная часть излучается в виде квантов света и фиксируется зрительно. Рекомбинационное излучение может возникать лишь в р-n структурах на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны (карбид кремния, арсенид или фосфид галлия). Интенсивность такого светового излучения зависит от величины протекающего через рn- переход тока, а само излучение лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра .(см. график на стр. 25).

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией.

УГО светодиода показано на рис. 18. В качестве исходного полуповодникового материала для изготовления светодиодов используют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiС). Конструктивно светодиод содержит кристалл полупроводника с сформированным в нем p-n переходом, на который подается прямое напряжение. Кристалл полупроводника с соответствующими выводами помещают в специальный корпус, верхняя часть которого заканчивается стеклянной линзой, с помощью которой излучение приобретает заданную направленность (рис. 17).

Параметры светодиода:

1) В (кд/м²) – яркость свечения при максимально допустимом прямом токе, I_{пр max}, мА.

2) Полная мощность излучения Р_полн, мВт.

3) Постоянное прямое напряжение U_пр при I_{пр max}.

4) Цвет свечения, или спектральная мощность излучения.

7^йВопрос. Работа - которую для отрыва от поверхности тела затрачивают электроны против электрических сил возвращающих их обратно называется работой выхода электрона.

На рис.19 изображена NM структура (металл-полупроводник N-типа). В такой структуре подбирают металл с работой выхода электронов больше, чем у полупроводника и следовательно преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл. В результате металл зарядится отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создадут в его приграничном слое положительный потенциал (рис.19). Такое распределение зарядов создаст контактную разность потенциалов U_К, препятствующую дальнейшему перемещению электронов, подобно тому, как это имеет место в PN структуре. Аналогично PN переходу MN переход обедняется носителями и его электрическое сопротивление повышается. Под действием приложенного к такому переходу обратного напряжения, совпадающего с U_K, ширина обедненной области увеличится. При противоположной (прямой) полярности внешнего напряжения обедненная область сужается. Следовательно MN переход уподобляется РN переходу и их ВАХ оказываются аналогичными. Такой MN переход называют выпрямляющим или переходом Шоттки.

Особенности перехода Шоттки :

1. Значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с РN переходом, поскольку одно из веществ MN перехода металл и его электрическое сопротивление значительно меньше, чем у полупроводника (рис. 20).

2. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в данном случае дырок), а следовательно и отсутствие диффузионной емкости, связанной с накоплением неосновных носителей в полупроводнике.

Металлополупроводниковые диоды – это диоды основанные на переходе Шоттки и называемые диодами Шоттки. Выпрямляющий переход таких диодов представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения. Диоды Шоттки обладают емкостью не превышающей 0,01 пф, что обеспечивает время их переключения (доли наносекунды) и предельную частоту работы (десятки гигагерц). Они способны пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 V. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов PN-типа) они обеспечивают более высокий КПД. На рис. 21 показано условное графическое обозначение диода Шоттки на принципиальной электрической схеме.

8^йВопрос. Туннельным называется полупроводниковый диод, работа которого основана на использовании туннельного механизма переноса заряда через р-n переход (туннельный эффект). Для получения туннельного эффекта используются полупроводники с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³, против обычной 10¹⁵). Полупроводники с такой концентрацией примесей называют вырожденными, т.к. по своим свойствам они очень близки к свойствам металлов. Свойства туннельного диода определяются формой его ВАХ (рис. 22), участок АВ которой является участком с отрицательным сопротивлением, т.к. на нем при положительном изменении напряжения имеет место отрицательное изменение тока , и тогда (рис. 22). Отрицательное сопротивление служит удобным математическим символом, а не реальной физической величиной, и означает что на некотором участке ВАХ прибора, увеличение напряжения уменьшает ток и наоборот.

Параметры туннельного диода:

- Ток впадины I_В – прямой ток в точке минимума ВАХ.

- Напряжение пика U_П – прямое напряжение соответствующее I_П.

- Пиковый ток I_П – прямой ток в точке максимума ВАХ.

- Напряжение впадины U_В – прямое напряжение соответствующее I_В.

- Напряжение раствора U_РР – прямое напряжение на второй восходящей ветви при токе, равном пиковому (рис. 22).

Условное графическое обозначение туннельного диода на рисунке 23.