Полупроводниковые приборы

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет»

Контрольная работа по дисциплине: «Общая электротехника»

Тема: «Полупроводниковые приборы»

Вариант № 21

Выполнил: студент 2 курса ФПИК группы АУЗ — 261с Тюляева И.А.

номер зачетной книжки 20 161 639

Проверил: доц. Сластинин С.Б.

Волгоград 2012

1. Чем отличаются энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков?

Энергетические зоны — это диапазоны энергий, к которым можно отнести энергии электронов. Зоной валентности называют такой диапазон энергий, внутри которого находится энергия электрона, который удерживается кристаллической решёткой. Чтобы электрон покинул атом кристаллической решётки, ему необходимо сообщить большую энергию, чем ширина запрещённой зоны. Зоной проводимости именуют диапазон энергий, в котором находится энергия электрона, который больше не связан с определённым атомом кристаллической решётки. Уровень Ферми — это такой энергетический уровень, на котором с вероятностью ½ находится электрон, и который постоянен при флюктуациях температуры. Зонная энергетическая диаграмма — это рисунок, на котором показаны энергетические зоны.

На данной зонной диаграмме изображение над буквой (а) соответствует диэлектрикам, над буквой (б) — полупроводникам, а над буквой (в) — проводникам. По вертикальной оси отложена энергия электронов, а горизонтальная ось безразмерна. Между зонами проводимости и валентности диэлектриков большой незаполненный промежуток, и упорядоченное движение носителей заряда отсутствует. Между энергетическими зонами проводимости и валентности полупроводников расстояние не велико, и в зоне валентности допустимо появление дырок, а в зоне проводимости такого же числа электронов, что может обеспечить условия протекания тока. Между зонами проводимости и валентности расположена запрещённая зона. Энергетические зоны валентности и проводимости металлов взаимно перекрываются. В результате передача даже незначительной энергии способна привести к протеканию тока.

2. Туннельный диод: определение, условно-графическое обозначение, характеристики, параметры и назначение Туннельный диод — полупроводниковый диод, в котором при прямом напряжении туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Обозначение на схемах:

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50.150 Е при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n_области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

3. Пояснить принцип работы биполярного транзистора Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»).

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер? n-полупроводник, база? p-полупроводник, коллектор? n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент б, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = б Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен в = б / (1? б) =(10.1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

4. Фотодиод: определение, условно-графическое обозначение, принцип работы, характеристики, параметры и назначение Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в pи nобласти, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями pи nнаходится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителейдрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n.

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальваническийбез внешнего напряжения;

· фотодиодный — с внешним обратным напряжением.

Особенности:

· простота технологии изготовления и структуры;

· сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия;

· малое сопротивление базы;

· малая инерционность.

Параметры:

· чувствительность:

отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

; - токовая чувствительность по световому потоку.

; - вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку.

· шумы:

помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

· вольт-амперная характеристика (ВАХ):

зависимость выходного напряжения от входного тока.

.

· спектральные характеристики:

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волншириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

· световые характеристики:

зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

· постоянная времени:

это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

· темновое сопротивление:

сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

· Инерционность.

5. Определение параметров выпрямительных диодов по справочным данным и вольт-амперным характеристикам Для заданного диода Д2Б требуется выполнить:

1. Дать характеристику диода.

2. Записать основные параметры:

· Uпр при Iпр

· Iобр при Uобр max

· Uобр max

· Рср

3. Построить (на миллиметровке) вольт-амперные характеристики (ВАХ) диода для температур t1, t2, t3.

При построении ВАХ прямые и обратные ветви характеристик для всех температур расположить в одной системе координат.

4. По вольт-амперным характеристикам для температуры t2 определить сопротивление прямому току (Rпр) при напряжении Uпр1 и сопротивление обратному току (Rобр) при обратном напряжении Uобр1.

5. Дифференциальное сопротивление (rдиф) и крутизну (S) прямой ветви ВАХ для напряжения Uпр1.

6. По ВАХ определить изменение прямого тока при изменении температуры от t1 до t3 для любого одного значения прямого напряжения.

Исходные данные:

t1 = -60о = 213 К, t2 = +20о = 293 К, t3 = +70о = 343 К;

Uпр1= 0,6 В; Uобр1= 10 В.

Решение Диоды Д2Б германиевые точечные. Предназначены для преобразования и детектирования сигналов с частотой до 150 МГц в амплитудных и фазовых детекторах. Выпускаются в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Диоды маркируются желтой и белой точками или кольцами у положительного вывода. Масса диода не более 0,3 г.

Основные параметры диода Д2Б:

Uпр = 1 В при Iпр = 5 мА

Iобр = 100 мкА при Uобр max = 10 В

Uобр max = 10 В При температуре t2 = +20о = 293 К по ВАХ определим Iпр1 = 2 мА при

Uпр1 = 0,6 В и Iобр1 = 90 мкА при Uобр1 = 10 В. Тогда:

сопротивление прямому току

сопротивление обратному току Определим крутизну прямой ветви ВАХ для напряжения Uпр1:

биполярный транзистора фотодиод Дифференциальное сопротивление прямой ветви ВАХ для напряжения Uпр1:

При изменении температуры от t1 до t3 при Uпр1 = 0,6 В изменение прямого тока будет равно:

6. Определение параметров биполярных транзисторов, включенных, но схеме с обидим эмиттером Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходные характеристики, определять коэффициент усиления h21, значение напряжения на коллекторе Uкэ1 и Uкэ2, мощность на коллекторе Рк1 и Рк2, если дано напряжение на базе Uбэ, значение сопротивления нагрузки Rк1 и Rк2 и напряжение источника питания Ек.

Исходные данные: номер рисунка 1, 2.

Uбэ = 0,6 В; Rк1 = 0,04 кОм; Rк2 = 0,05 кОм; Ек = 40 В.

Решение Определим коэффициент усиления h21 при Uкэ = 20 В:

По входным характеристикам определим базовый ток при Uбэ = 0,6 В: Iб = 8 мА.

Построим нагрузочные прямые по формуле Ek = Uбэ + IkRk

Строить будем по двум точкам.

Первая точка при Ik = 0 Uбэ = Ек = 40 В.

Вторая точка при

Uбэ = 0 ;

Прямые пересекают линию Iб = 8 мА при Uкэ1= 10,5 В, Iк1 = 0,75 А и Uкэ2= 5,5 В, Iк2 = 0,7 А.

Мощность на коллекторе