![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Тема: Полупроводниковые резисторы. ⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5 Вопросы:1. Терморезисторы. 2. Фоторезисторы.
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.
1) 2) Терморезисторы с положительным ТКС, изготавливаемые на основе титана бария и называемые позисторами.
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 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: RТ ном – номинальное сопротивление терморезистора при t=200.
Рmax – 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 RК. 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.
2йВопрос. 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:
При наличии светового потока (
Разность токов Iсв – Ітем определяет фототок
На рис. 8 показаны ВАХ фоторезистора, соответствующие затемнению (1) и осветлению (2). Параметры фоторезистора: Ітем – темновой ток; Iсв – световой ток; Іф – фототок.
Uр – допустимое рабочее напряжение, при котором светочувствительный слой еще не поврежден. Рmax – допустимая мощность рассеивания.
2 – обозначение материала 5 – обозначение конструктивного оформления. 3йВопрос. 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: Rст – статическое сопротивление, или сопротивление варистора при постоянных величинах тока и напряжения. Rдин – динамическое сопротивление или сопротивление варистора переменному ток.
На рис. 11 изображено включение варистора в схему, предназначенную для стабилизации выходного напряжения. Входное напряжение Uвх распределяется между ограничивающим резистором Rогр и параллельно включенным варистором и сопротивлением нагрузки. Напряжение на резисторе Rн не может увеличиваться пропорционально увеличению входного напряжения Uвх, т.к. с ростом выходного напряжения URн уменьшается сопротивление варистора RU, увеличивается входной ток Iвх и падение напряжения на резисторе Rогр.
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.
По признакам, положенным в основу классификации, диоды делят на следующие группы:
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.
IV По основным электрическим параметрам диоды различаются величинами допустимых токов, напряжений, мощностей.
2йВопрос. Выпрямительные диоды.
Параметры выпрямительных диодов: 1) Iпр max – максимально допустимый прямой ток (рис. 7). 2) Uпр. max – прямое падение напряжения на диоде соответствующее току Iпр max (рис. 7). 3) Uпроб. – максимально допустимое обратное напряжение на диоде (рис. 7). 4) Iобр ном – номинальный обратный ток (рис. 7). 5) Iвыпр. сред. max – максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод не вызывая изменения его параметров (рис. 6б). 6) Rпр; Rобр – статические прямое и обратное сопротивления диода. Это сопротивление диода по постоянному току для заданных точек ВАХ.
7) Rд.пр; Rд.обр – динамические (дифференциальные) сопротивления диода, характеризующие его свойства к небольшим изменениям (приращениям) тока и напряжения. 8) Рmax – максимально допустимая мощность, которую диод рассеивает в окружающее пространство в виде тепла. 3йВопрос. 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.
1. Uст – напряжение стабилизации, практически совпадающее с напряжением пробоя. 2. 3. 4. На рис. 11 представлена принципиальная схема стабилизатора на стабилитроне. Он содержит два элемента – стабилитрон, включаемый параллельно нагрузке Rн и балластное сопротивление Rб. При изменении входного напряжения на величину При изменении сопротивления нагрузки, но неизменном Uвх, ток проходящий через сопротивление Rб остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и стабистором.
4йВопрос. Варикапом называется полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости Сбар 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) Сном – номинальная емкость при заданном внешнем напряжении Uном. 2) Сmax, Cmin – максимальная и минимальная емкости в пределах заданного диапазона изменения обратного (управляющего) напряжения от Umin до Umax.
5йВопрос.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.
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). 6йВопрос.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).
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, Iпр max, мА. 2) Полная мощность излучения Рполн, мВт. 3) Постоянное прямое напряжение Uпр при Iпр max. 4) Цвет свечения, или спектральная мощность излучения.
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.
Параметры туннельного диода: - Ток впадины IВ – прямой ток в точке минимума ВАХ. - Напряжение пика UП – прямое напряжение соответствующее IП. - Пиковый ток IП – прямой ток в точке максимума ВАХ. - Напряжение впадины UВ – прямое напряжение соответствующее IВ. - Напряжение раствора UРР – прямое напряжение на второй восходящей ветви при токе, равном пиковому (рис. 22). Условное графическое обозначение туннельного диода на рисунке 23.
|