Основные качества полупроводников

Міністерство транспорту та зв’язку України Українська державна академія залізничного транспорту Кафедра транспортний зв’язок Контрольна робота з дисципліни

«Напівпровідні прибори»

Перевірив:

Кириченко М.П.

Виконав:

студент групи 7 — IV/2 — АТЗ

Лисов В.П.

1. ПОЛУПРОВОДНИКИ

1.1 Полупроводники и их физические свойства

1.2 Генерация и рекомбинация свободных носителей заряда, полупроводники с собственной электропроводностью

1.3 Донорные примеси, полупроводники с электронной электропроводностью

1.4 Акцепторные примеси, полупроводники с дырочной электропроводностью

1.5 Понятие р-пперехода и факторы, влияющие на его свойства

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 ПОЛУПРОВОДНИКИ

1.1 Полупроводники и их физические свойства К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока в веществе могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому его электропроводность тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает высокую электропроводность металлов. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5…6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Такие электроны могут иметь различную степень связи со своей парой атомов. При передаче им энергии извне, например, с помощью электромагнитного поля или при нагревании они способны покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться по кристаллу, создавая, таким образом, электрический ток в нем.

Вещества, в которых для высвобождения электронов требуется высокая энергия, являются диэлектриками, и только для некоторого класса веществ достаточно незначительной энергии (менее 3 эВ) для образования свободных электронов (преодоления ими запрещенной энергетической зоны). Такие вещества и являются полупроводниками.

В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий (Ge) и кремний (Si) — элементы 4-й группы периодической системы, в современных сверхвысокочастотных приборах часто используются также арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP).

1.2 Генерация и рекомбинация свободных носителей заряда,

полупроводники с собственной электропроводностью Уход электрона из ковалентной связи сопровождается появлением двух электрически связанных атомов единичного положительного заряда, получившего название дырки, и свободного электрона. Фактически дырку можно считать подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда, а заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называют генерацией свободных носителей заряда. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей.

Из-за постоянного протекания процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при заданной температуре в полупроводнике устанавливается равновесное состояние, при котором присутствует некоторая концентрация свободных электронов (n_i) и дырок (p_i). В чистом полупроводнике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрастают приблизительно по экспоненциальному закону.

Равенство концентраций свободных электронов n_i и дырок p_i показывает, что такой полупроводник обладает одинаковыми электронной и дырочной электропроводностями и называется полупроводником с собственной электропроводностью.

1.3 Донорные примеси, полупроводники с электронной

электропроводностью При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (Р, Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки. Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами.

Малая энергия активации примесей (0,01… 0,2 эВ) уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов не сопровождается одновременными увеличением количества дырок (ионизированные 5-валентные атомы, хотя и являются носителями положительного заряда, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами основного вещества), в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок (дырки образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества).

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками птипа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

1.4 Акцепторные примеси, полупроводники с дырочной

электропроводностью Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (Ga, In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными или акцепторами.

Ввиду малого значения энергии активации акцепторов уже при комнатной температуре многие валентные электроны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического тока.

За счет ионизации атомов исходного материала часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны — неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа.

1.5 Понятие р-пперехода и факторы, влияющие на его свойства Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущественно используются контакты: полупроводник — полупроводник, металл — полупроводник, металл — диэлектрик — полупроводник. Если переход создается между полу проводниками n — типа и pтипа, то его называют электронно-дырочным или р-п — переходом (рис. 1.1). Такой переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных технологических операций. Возможны различные исполнения р-nперехода, отличающиеся: резкостью и уровнем изменения концентраций доноров и акцепторов на границе перехода, размером и формой самого перехода, а также наличием каких-либо неоднородностей в переходе.

В общем случае поведение реального р-nперехода в состоянии покоя и при подключении внешнего напряжения различного уровня и полярности определяется множеством физических процессов, протекающих в полупроводнике. К ним относятся: термогенерация носителей, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, возможности теплового и электрического пробоев и т. д.

На границе р-nперехода имеет место скачкообразное изменение концентраций донорных и акцепторных примесей. Равновесные концентрации электронов и дырок в разных областях существенно отличаются. Поэтому на границе перехода происходит диффузия электронов из nобласти в pобласть, а дырок из pобласти в nобласть.

Рис. 1.1

Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок. Электроны и дырки, переходя через контакт, оставляют в приконтактной области дырочного полупроводника некомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в электронном полупроводнике — некомпенсированный заряд положительных донорных ионов. Таким образом, электронный — полупроводник заряжается положительно, а дырочный — отрицательно. Между областями с различными типами электропроводности возникает диффузионное электрическое поле, созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов между n и pобластями, называемая контактной. За пределами области объемного заряда полупроводники пи р-типа остаются электрически нейтральными (рис. 1.2−1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия).

Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя ток дрейфа или ток проводимости. Выведение же носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через р-nпереход ускоряющим электрическим полем называется экстракцией носителей заряда.

Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, то между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие. Область, в которой присутствует диффузионное электрическое поле, и называют р-nпереходом. Величина контактной разности потенциалов на переходе определяется отношением концентраций носителей зарядов одного знака в ри nобластях полупроводника. Ширина слоя объемных зарядов (т.н. запирающий слой) в р и nобластях обратно пропорциональна концентрациям примесей в этих областях, т. е. в несимметричном переходе запирающий слой расширяется в область с меньшей концентрацией примеси. Удельное сопротивление полупроводника в области запирающего слоя существенно выше удельного сопротивления нейтральных областей.

Прямое и обратное включение р-nперехода При использовании р-nперехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрический ток (рис. 1.2). Если положительный полюс источника питания подключается к р-области, а отрицательный — к n-области, то включение р-nперехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение р-н-перехода называют обратным.

При прямом включении р-nперехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область, ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода, т. е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Рис. 1.2 Электронно-дырочный переход (а, б, в) и распределение поля в электронно-дырочном переходе (г, д, е) При включении р-nперехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в р-nпереходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Вольтамперные характеристики электронно-дырочного перехода Теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) электронно — дырочного перехода выражается уравнением (уравнение Эберса-Моша) Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольтамперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Реальная вольт-амперная характеристика диода имеет прямую и обратную ветви.

Процессы генерации и рекомбинации носителей в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (кремний) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ.

Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Рис. 1.2−2 Реальная и теоретическая ВАХ р-nперехода.

2. Полупроводниковые диоды

Диод

Диод — это полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n переходом и двумя выводами. В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах в качестве электрических переходов используются выпрямляющие электронно-дырочные переходы, переходы Шотки, гетеропереходы.

Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шотки в отличие от р-п перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. Поэтому через переход Шотки может не происходить инжекция неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Следовательно, в диодах Шотки отсутствует процесс накопления и рассасывания неосновных носителей в базе. В силу этого такие диоды имеют лучшие частотные свойства по сравнению с диодами с р-п переходом.

А так же диоды подразделяются по площади p-n перехода на точечные и плоскостные.

В точечных диодах p-n переход получают при помощи металлической иглы с нанесенной на острие примесью. При пропускании импульса тока примесь диффундирует в толщу полупроводника, образуя полусферический слой противоположного типа электропроводности.

Точечные диоды имеют малую емкость перехода (1 пФ) могут, применятся на всех частотах вплоть до СВЧ. Однако вследствие малой площади перехода точечные диоды допускают токи не более десятков mA.

Плоскостные диоды изготовляют методом сплавления или диффузии. Для их изготовления в пластину исходного полупроводника вплавляется капля примеси, либо создаются условия для диффузии газообразной примеси.

Плоскостные диоды допускают прохождение прямых токов, доходящих до сотен ампер в мощных диодах, но обладают большой емкостью до сотен пФ, что ограничивает частотный диапазон их применения областью НЧ.

Диффузионная область диодов более богата примесями — она является эмиттером. Противоположная область является базой.

Выводы диодов образуются с помощью Me, образующих омический контакт с полупроводником.

Классификация полупроводниковых диодов В основе практического применения диодов в радиотехнике и их классификации лежит ряд свойств переходов:

1. Выпрямительные.

2. Высокочастотные диоды.

3. Импульсные. Используют свойства асимметрии вольтамперной характеристики.

4. Стабилитроны. Используют явления электрического пробоя перехода.

5. Варикапы. Используют зависимость емкости перехода от приложенного напряжения.

6. Туннельные и обратные диоды. Используют туннельный эффект в переходе.

7. Диоды Шоттки. Используют свойства перехода Me — п/п.

Классификация современных полупроводниковых приборов запечатлена в системе условных обозначений их типов. В соответствии с возникновением новых классификационных групп приборов совершенствуется и система их условных обозначений, которая за последние 30 лет трижды претерпевала изменения. Система обозначений современных полупроводниковых диодов, тиристоров и оптоэлектронных приборов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919 — 81 и базируется на ряде классификационных признаков этих приборов. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого изготовлен прибор. Для обозначения исходного материала используются буквы или цифры, приведённые ниже:

Г или 1 — для германия или его соединений;

К или 2 — для кремния или его соединений;

А или 3 — для соединений галлия (например, для арсенида галлия);

И или 4 — для соединений индия (например, для фосфида индия).

Второй элемент обозначения — буква, определяющая подкласс (или группу) приборов. Для обозначения подклассов приборов используется одна из следующих букв:

Д — диодов выпрямительных и импульсных;

Ц — выпрямительных столбов и блоков;

В — варикапов;

И — туннельных диодов;

А — сверхвысокочастотных диодов;

С — стабилитронов;

Г — генераторов шума;

Л — излучающих оптоэлектронных приборов;

О — оптронов;

Н — диодных тиристоров;

У — триодных тиристоров.

Третий элемент обозначения — это цифра, которая определяет основные функциональные возможности прибора. Для обозначения характерных функциональных возможностей, эксплуатационных признаков приборов используются следующие цифры применительно к различным подклассам приборов:

Диоды (подкласс Д):

0 — для выпрямительных диодов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

1 — для выпрямительных диодов с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3 А, но не выше 10 А;

4 — для импульсных диодов с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;

5 — для импульсных диодов с временем восстановления более 150 нс, но не свыше 500 нс;

6 — для импульсных диодов с временем восстановления 30 … 150 нс;

7 — для импульсных диодов с временем восстановления 5 … 30 нс;

8 — для импульсных диодов с временем восстановления 1 … 5 нс;

9 — для импульсных диодов с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс.

Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):

1 — для столбов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 — для столбов с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 … 10 А;

3 — для блоков с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

4 — для блоков с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 … 10 А.

Варикапы (подкласс В):

1 —для построечных варикапов;

2 — для умножительных варикапов.

Туннельные диоды (подкласс И):

1 — для усилительных туннельных диодов;

2 — для генераторных туннельных диодов;

3 — для переключательных туннельных диодов;

4 — для обращённых диодов.

Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):

1 — для смесительных диодов;

2 — для детекторных диодов;

3 — для усилительных диодов;

4 — для параметрических диодов;

5 — для переключательных и ограничительных диодов;

6 — для умножительных и настроечных диодов;

7 — для генераторных диодов;

8 — для импульсных диодов.

Стабилитроны (подкласс С):

1 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

2 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10 … 100 В;

3 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В;

4 — для стабилитронов мощностью 0,3. 5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

5 — для стабилитронов мощностью0,3. 5Втсноминальнымнапряжением стабилизации 10…100 В;

6 — для стабилитронов мощностью0,3. 5Втсноминальнымнапряжением стабилизации более 100 В;

7 — для стабилитронов мощностью5 .10Втсноминальнымнапряжением стабилизации менее 10 В;

8 — для стабилитронов мощностью 5. 10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10… 100 В;

9 — для стабилитронов мощностью 5. 10 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 B.

Генераторы шума (подкласс Г):

1 — для низкочастотных генераторов шума;

2 — для высокочастотных генераторов шума.

Диодные тиристоры (подкласс Н):

1 — для тиристоров с максимально допустимым значением прямого тока не более 0,3 А;

2 — для тиристоров с максимально допустимым значением прямого тока более 0,3 А, но не свыше 10 А.

Триодные тиристоры (подкласс У):

Незапираемые тиристоры:

1 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

2 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии 0,3. 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии 15 … 100 А;

7 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А.

Запираемые тиристоры:

3 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

4 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии 0,3. 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии 15 … 100 А;

8 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А, Симметричные тиристоры:

5 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

6 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии 0,3. 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии 15 … 100 А;

9 — для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А.

Четвёртый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа. Для обозначения порядкового номера разработки используется двухзначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превысит число 99, то в дальнейшем используют трёхзначное число от 101 до 999.

Пятый элемент — буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

В качестве классификационной литеры используют буквы русского алфавита (за исключением букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие символы:

цифры 1. 9 для обозначения модификаций прибора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;

букву С для обозначения сборок — наборов в общем корпусе однотипных приборов, не соединенных электрически или соединенных одноименными выводами;

цифры, написанные через дефис, для обозначений следующих модификаций конструктивного исполнения бескорпусных приборов:

1 —с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке);

3 — с жёсткими выводами без кристаллодержателя (подложки);

4 — с жёсткими выводами на кристаллодержателе (подложке);

5 — с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без выводов;

6 — с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов.

Буква Р после последнего элемента обозначения — для приборов с парным подбором, буква Г — с подбором в четвёрки, буква К — с подбором в шестёрки.

Для приборов, изготовленных до 1982 года действовала другая система обозначений. Условные обозначения состояли из двух или трёх элементов.

Первый элемент обозначения — буква Д, характеризующая весь класс полупроводниковых диодов.

Второй элемент обозначения — число (номер), которое указывает на область применения:

от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов;

от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов.

Третий элемент обозначения — буква, указывающая на разновидность групп однотипных приборов.

Четвёртый элемент — буква указывает на модификацию прибора в серии.

Если малые габаритные размеры приборов не позволяют использовать буквенное или цифровое обозначение, то на корпус наносится цветная маркировка (точка или цветные полосы). Цветной код указывается в технических условиях на соответствующий прибор.

Для обозначения стабилитронов до 1981 года в качестве третьего и четвёртого элементов присваивались числа:

малой мощности (Р < 0,3 Вт):

от 101 до 199 — с напряжением стабилизации 0,1 … 9,9 В;

от 210 до 299 — с напряжением стабилизации 10 … 99 В;

от 301 до 399 —с напряжением стабилизации 100 … 199 В;

средней мощности (0,3 Вт < Р < 5 Вт):

от 401 до 499 — с напряжением стабилизации 0,1 … 9,9 В;

от 510 до 599 — с напряжением стабилизации 10 … 99 В;

от 601 до 699 — с напряжением стабилизации 100 … 199 В;

большой мощности (Р > 5 Вт):

от 701 до 799 — с напряжением стабилизации 0,1 … 9,9 В;

от 810 до 899 — с напряжением стабилизации 10. 99 В;

от 901 до 999 — с напряжением стабилизации 100 … 199 В.

Две последние цифры каждого числа соответствуют номинальному напряжению стабилизации стабилитронов данного типа, например КС175А — кремниевый стабилитрон малой мощности с напряжением стабилизации 7,5 В.

Выпрямительные диоды и область их применения Выпрямительный диод — полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления напряжения переменного тока.

Выпрямительные диоды используют в качестве вентилей — элементов с односторонней проводимостью. Основное их применение — выпрямление токов с частотой до единиц кГц.

Простейшая схема однополупериодного выпрямления показана на рис.

Во время положительной полуволны напряжение e (t) через нагрузку R_Н протекает импульс прямого тока с амплитудой I_m.

При воздействии отрицательной полуволны напряжение e (t) через диод протекает малый обратный ток I_обр.

Таким образом, через нагрузку протекает пульсирующий ток, в виде импульсов, длящихся пол периода и разделенных промежутком также в пол периода.

В более сложных двухполупериодных выпрямителях энергия источника e (t) используется более рационально.

Схема такого выпрямителя имеет вид:

В результате через R_Н при воздействии каждого полупериода напряжение e (t) протекает импульс тока одной полярности. Это позволяет достичь большего значения среднего выраженного тока I_СР.

Промышленность выпускает специальные двухполупериодные диодные мосты — сборку, состоящую из 4 диодов (например, марки КД 906 КЦ 401, КЦ 405, КЦ 407, КЦ 409).

Выпрямительные диоды применяются также в цепях управления и коммуникации, для ограничения выбросов напряжения в цепях с индуктивностями, а также во всех цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к частотно-временным параметрам.

Список принятых сокращений параметров диодов.

Iвыпр.ср.макс — максимальное значение среднего выпрямленного диодом тока.

Іобр — обратный ток через диод.

Іобр.ср — средний обратный ток через диод.

Іпр — прямой ток через диод.

Іпр.макс — максимальный прямой ток.

Іпр.и.макс — импульсный максимальный прямой ток.

Іпр.ср — средний прямой ток через диод.

Іпр.ср.макс — максимальное значение среднего прямого тока через диод. Uобр. макс — максимальное постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду.

Uобр.и.макс — максимальное импульсное обратное напряжение, приложенное к диоду.

Uпр — падение напряжения на диоде при его прямом включении.

Uпр.ср — среднее падение напряжения на диоде при его прямом включении.

f_max — максимальная частота, на которой ещё сохраняется свойство односторонней проводимости диода.

Диоды выпрямительные малой мощности до 1А

Диоды выпрямительные средней мощности до 10А

Диоды выпрямительные средней мощности до 10А

Диоды выпрямительные большой мощности свыше 10А

Обозначение в таблице :

I_n— средний выпрямленный ток, в скобкахдопустимый в импульсном режиме;

U₀— максимальное обратное напряжение, в скобкахдопустимый в импульсном режиме;

I₀— постоянный обратный ток при максимальном обратном напряжении;

HТепловое сопротивление переход-корпус;

fверхняя рабочая частота;

Tтемпература перехода.

Стабилитроны и область их применения Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в различных схемах ЭА.

ВАХ стабилитрона имеет участок с высокой крутизной, где напряжение слабо зависит от тока через диод (обратная ветвь). Существуют стабилитроны общего назначения, прецизионные, импульсные двуханодные и стабисторы.

Стабилитроны общего назначения применяются в стабилизаторах источников питания, ограничителях напряжения.

Прецизионные применяются в источники опорного напряжения и при термокомпенсации.

Импульсные — для стабилизации импульсных напряжений и ограничения амплитуды импульса.

Двуханодные стабилитроны применяются в схемах стабилизаторов и ограничителей с термокомпенсацией.

Стабисторы — для стабилизации малых напряжений.

Стабилитроны общего назначения Обозначения в таблице для стабилитронов общего назначения:

U — напряжение стабилизации;

а — температурный коэффициент напряжения стабилизации;

b — временная нестабильность напряжения стабилизации;

R — дифференциальное сопротивление, в скобках при токе стабилизации; Iмин—І макс — минимальный и максимальный токи стабилизации;

Р — максимальная рассеиваемая мощность;

Т — температура окружающей среды.

Параметры стабилитронов общего назначения приведены в табл.

Стабилитроны прецизионные Обозначения в таблице для прецизионных стабилитронов:

U — напряжение стабилизации;

а — температурный коэффициент напряжения стабилизации;

b — временная нестабильность напряжения стабилизации;

Iмин—Імакс — минимальный и максимальный токи стабилизации;

Р — рассеиваемая мощность;

Т — температура окружающей среды.

Параметры прецизионных стабилитронов

Стабилитроны импульсные Обозначения в таблице для импульсных стабилитронов:

U — напряжение стабилизации;

а — температурный коэффициент напряжения стабилизации;

b — временная нестабильность напряжения стабилизации;

Імин—Імакс — минимальный и максимальный токи стабилизации;

Іимп — максимальный импульсный ток стабилизации при t<10 мкс,

Q= 100;

Р — рассеиваемая мощность;

Т — температура окружающей среды.

Параметры импульсных стабилитронов приведены

Стабилитроны двуханодные Обозначения в таблице для двуханодных стабилитронов:

U — напряжение стабилизации;

dU — несимметричность напряжения стабилизации;

а — температурный коэффициент напряжения стабилизации;

b — временная нестабильность напряжения стабилизации;

Імин—Імакс — минимальный и максимальный токи стабилизации;

Р — рассеиваемая мощность;

Т — температура окружающей среды.

Параметры двуханодных стабилитронов

Стабисторы Обозначения в таблице для стабисторов:

U — напряжение стабилизации;

а — температурный коэффициент напряжения стабилизации;

b — временная нестабильность напряжения стабилизации;

Імин—Імакс — минимальный и максимальный токи стабилизации;

Р — рассеиваемая мощность;

Т — температура окружающей среды.

Параметры стабисторов

Тиристоры

Д235А, Д235Б, Д235 В, Д235Г Тиристоры кремниевые диффузионно — сплавные структуры p-n-p-n триодные не запираемые. Предназначены для применения в качестве переключающих элементов средней мощности. Выпускаются в металлическом корпусе с жёсткими выводами. Тип тиристора приводится на корпусе. Масса тиристора не более 16 г.

Электрические параметры. Напряжение в открытом состоянии при Iос = 2 А,

Iу.от = 50 мА, не более:

Т = +25 °С2 В Т = -60 °С2,5 В Отпирающее импульсное напряжение управления при Uзс = 10 В и Т = -60 °С, не более5 В Постоянный ток в закрытом состоянии при Uзс = Uзс. макс, не более:

Т = +25 и -60 °С2 мА Т = +100 °С, Тк = +80 °С3 мА Постоянный обратный ток при Uобр = Uобр. макс, не более:

Т = +25 и -60 °С2 мА Т = +100 °С, Тк = +80 °С3 мА Отпирающий постоянный ток управления при Uзс = 10 В, не более:

Т = +25 °С30 мА Т = -60 °С50 мА Отпирающий импульсный ток управления при Uзс = 10 В:

Т = -60 °С, не более250 мА Т = +100 °С, не менее0,5 мА Предельные эксплуатационные данные.

Обратное постоянное напряжение управления1 В

Постоянное напряжение в закрытом состоянии:

при Т = +25 °С:

Д235А, Д235В50 В Д235Б, Д235Г100 В при Т = -60 и +100 °С:

Д235А, Д235В40 В Д235Б, Д235Г80 В Постоянное обратное напряжение: при Т = +25 °С:

Д235В50 В Д235Г100 В

при Т = -60 и +100 °С:

Д235В40 В Д235Г80 В Постоянный ток в открытом состоянии при Тк = -60 …+70 °С1 2 А Импульсный ток в открытом состоянии:

при Іос.ср < 1 А и ta < 10 мс10 А при одиночных импульсах длительностью до 50 мкс60 А Постоянный ток управления при Тк = -60 … +100 °С150 мА Импульсный ток управления при ta = 50 мкс и Тк = −60… +100 °С 350 мА Средняя рассеиваемая мощность при Тк = -60 … +70 °С14 Вт Температура окружающей среды-60 … Тк = +100 °С КУ101А, КУ101Б, КУ101Г, КУ101Е Тринисторы кремниевые диффузионно — сплавные p-типа триодные не запираемые. Предназначены для применения в качестве переключающих элементов. Выпускаются в металлостеклянном герметичном корпусе с гибкими выводами. Тип прибора приводится на корпусе. Масса не более 2,5 г.

Электрические параметры.

Ток утечки, не более, мА0,3

Обратный ток утечки, не более, мА0,3

Ток спрямления при Uпр = 10 В, мА0,05 … 7,5

Предельные эксплуатационные данные.

Постоянный или средний прямой ток при температуре от -55 до +50 °С, мА75

Прямой ток управляющего электрода, мА15

Прямое импульсное напряжение, В:

для КУ101А, КУ101Б50

для КУ101Г50

для КУ101Е50

Обратное напряжение, В:

для КУ101А10

для КУ101Б50

для КУ101Г80

для КУ101Е150

КУ208А, КУ208Б, КУ208 В, КУ208Г Тринисторы кремниевые планарно — диффузионные Предназначены для работы в качестве симметричных управляемых ключей средней мощности для схем автоматического регулирования в коммутационных цепях силовой автоматики на переменном токе. Выпускаются в металлическом герметичном корпусе с винтом, масса не более 18 г.

Электрические параметры.

Ток утечки, не более, мА5

Ток выключения при Uпр = 10 В и температуре -55 °С, не более, мА150

Предельные эксплуатационные данные.

Прямой ток управляющего электрода, мА500

Обратное или прямое напряжение, В:

для КУ208А100

для КУ208Б200

для КУ208В300

для КУ208Г400

Амплитуда тока перегрузки:

при температуре от -55 °С до + 50 °C, А30

при температуре 70 °C, А15

2У221А (ТИЧ5−100−8-12), 2У221Б (ТИЧ5−100−8-21), 2У221 В (ТИЧ5−100- 6−23), КУ221А, КУ221Б, КУ221 В, КУ221Г, КУ221Д

Тиристоры кремниевые диффузионные структуры p-n-p-n триодные не запираемые импульсные высокочастотные. Предназначены для применения в телевизионных приёмниках цветного изображения при частоте до 30 кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип тиристора приводится на корпусе. Масса тиристора не более 7 г.

Электрические параметры. Импульсное напряжение в открытом состоянии при Іос.и = 20 А, to = 40.60 мкс, Іу.пр.и = 0,15.1 А, tу = 10.100 мкс и f < 200 Гц, не более3,5 В Отпирающее импульсное напряжение управления при Uзс = 440 В, Іос.и = 11 А, ta = 10.50 мкс, tу = 2 мкс и f < 200 Гц, не более:

для 2У221А — 2У221В5 В для КУ221А — КУ221В5 В Отпирающий импульсный ток управления при Uзс. и = 440 В,

Іос.и = 11 А, ta = 10.50 мкс, tу = 2 мкс и f < 200 Гц, не более:

для 2У221А — 2У221В100 мА для КУ221А — КУ221В150 мА Предельные эксплуатационные данные. Импульсное напряжение в закрытом состоянии:

2У221А, 2У221Б800 В

2У221 В, КУ221Г600 В КУ221А, КУ221В700 В КУ221Б750 В КУ221Д500 В

Постоянное напряжение в закрытом состоянии:

2У221А, 2У221Б500 В

2У221В400 В КУ221А — КУ221Д300 В Импульсное обратное напряжение50 В Минимальное напряжение в закрытом состоянии10 В

Обратное импульсное напряжение управления

2У221А, 2У221 В, КУ221А, КУ221Г, КУ221Д10 В

2У221Б, КУ221Б, КУ221В30 В

Не повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии:

КУ221А, КУ221В750 В КУ221Б800 В КУ221Г700 В КУ221Д600 В

Импульсный ток в открытом состоянии:

пилообразная форма импульсов тока при ta = 27 мкс и f = 16 кГц для 2У221А — 2У221 В, КУ221А — КУ221В8 А синусоидальная форма импульсов тока при ta = 13 мкс и f = 16 кГц для 2У221А — 2У221 В, КУ221А — КУ221В15 А синусоидальная форма импульсов тока при ta = 50 мкс и f = 50 Гц 100 А прямоугольная форма импульсов тока при ta = 2 мкс,

dUзс / dt > 100 А / мкс и f = 20 кГц для 2У221А — 2У221В15 А

экспоненциальная форма импульсов тока при ta = 1,5 мс,

Шр = 80 мкс и f = 3 Гц для КУ221А — КУ221Д70 А

Средний ток в открытом состоянии в однофазной однополупериодной схеме с активной нагрузкой и синусоидальной форме тока при f = 50 Гц и в = 180°3,2 А

Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии:

2У221А700 В / мкс КУ221А500 В / мкс

2У221Б, 2У221 В, КУ221Б — КУ221Д200 В / мкс Прямой импульсный ток управления2 А Минимальный импульсный ток управления:

2У221А — 2У221 В, КУ221А — КУ221В0,15 А КУ221Г, КУ221Д0,1 А

Минимальная длительность импульса прямого тока управления:

2У221А — 2У221В0,5 мкс КУ221А — КУ221Д2 мкс

Температура окружающей среды:

для 2У221А — 2У221В-60.Тк = +85 °С для КУ221А — КУ221Д-40.Тк = +85 °С

3. Биполярные транзисторы Биполярным транзистором называют трехполюсный электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, способный усиливать мощность за счет инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы называются биполярными так как их работа основана на использовании носителей обеих полярностей — электронов и дырок.

Устройство транзистора схематично показано на рисунке 3.1

Рисунок 3.1

Транзистор представляет собой пластину полупроводника, в которой создано три области различной проводимости, разделенные двумя p-n переходами.

Одну из крайних областей транзистора легируют значительно сильнее, чем две другие. Эту область используют для инжекции свободных носителей и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой. Основное назначение третей области — коллектора — экстракция и выведение неосновных носителей из базы. Поэтому размеры коллектора больше, чем эмиттера.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их обозначения приведены на рисунке 3.2

Рисунок 3.2

С точки зрения технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. В сплавных и диффузионных транзисторах крайние области создают с помощью вплавления или диффузии соответствующих примесей в базовую пластину полупроводника. В планарных (плоских) транзисторах чередование областей создают с помощью последовательной диффузии различных примесей (рис. 3.3).

Рисунок 3.3

Коллектор двухслойный типа n⁺ n. Область n⁺ обеспечивает малое сопротивление коллекторной области, область n — малую емкость и высокое пробивное напряжение коллектора.

Классификация биполярных транзисторов Условные обозначения биполярных транзисторов, выпущенных до 1964 года, состоят из букв (П или МП) и цифр, определяющих тип исходного материала, допустимую рассеиваемую мощность и граничную частоту:

от 1 до 99 — германиевые маломощные низкой частоты;

от 101 до 199 — кремниевые маломощные низкой частоты;

от 201 до 299 — германиевые мощные низкой частоты;

от 301 до 399 — кремниевые мощные низкой частоты;

от 401 до 499 — германиевые маломощные высокой и сверхвысокой частот;

от 501 до 599 — кремниевые маломощные высокой и сверхвысокой частот;

от 601 до 699 — германиевые мощные высокой и сверхвысокой частот;

от 701 до 799 — кремниевые мощные высокой и сверхвысокой частот.

После цифр может стоять буква, определяющая разбраковку транзисторов по параметрам.

После 1964 года маркировка проводилась по ГОСТ 10 862– — 64, ГОСТ 10 862– — 72, а затем по ОСТ 11.336.038 — 77, ОСТ 11.396.419 — 81. Согласно ГОСТ 10 862– — 64 обозначения полупроводниковых приборов состоят из четырёх элементов:

Первый элемент — буква или цифра обозначает исходный материал полупроводника Г или 1 — германий. К или 2 — кремний.

Второй элемент — буква, указывающая класс и группу приборов.

Т — транзисторы,

П — полевые транзисторы.

Третий элемент — число указывающее назначение или электрические свойства транзисторов. Первая цифра этой комбинации определяет допустимую рассеиваемую мощность и граничную частоту транзистора в соответствии с таблицей 3.1.

Таблица 3.1. Определение допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоты транзистора .

Четвертый элемент — буква, указывает подтип прибора (модификация по параметрам).

Основные параметры транзисторов

fгр — граничная частота коэффициента передачи тока. Частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице. Частота, равная произведению модуля коэффициента передачи тока на частоту измерения, которая находится в диапазоне частот, где справедлив закон изменения модуля коэффициента передачи тока 6 дБ на октаву.

fh₂₁ — предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора. Частота, на которой модуль коэффициента передачи тока падает на 3 дБ по сравнению с его низкочастотным значением.

h₂₁Э — статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора. Отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером.

h_21э — коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером. Отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменному току в схеме с общим эмиттером.

Ік — ток коллектора транзистора.

Ікбо — обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор — база и разомкнутом выводе эмиттера.

Ік.макс — максимально допустимый постоянный ток коллектора транзистора. Ік.и.макс — максимально допустимый импульсный ток коллектора транзистора.

Ікэк — обратный ток коллектор — эмиттер при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера. Ток в цепи коллектор — эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор — эмиттер и короткозамкнутых выводах эмиттера и базы.

Ікэо — обратный ток коллектор — эмиттер при разомкнутом выводе базы. Ток в цепи коллектор — эмиттер при заданном напряжении коллектор — эмиттер и разомкнутом выводе базы.

Ікэ_R— обратный ток коллектор — эмиттер при заданном сопротивлении в цепи база — эмиттер. Ток в цепи коллектор — эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор — эмиттер и заданном сопротивлении в цепи база — эмиттер.

Ікэх — обратный ток коллектор — эмиттер заданном обратном напряжении база — эмиттер.

Іэ — ток эмиттера транзистора.

Іэбо — обратный ток эмиттерного перехода при разомкнутом выводе коллектора транзистора.

Іэ.макс — максимально допустимый постоянный ток эмиттера транзистора.

Іэ.и.макс — максимально допустимый импульсный ток эмиттера транзистора.

Кш — коэффициент шума транзистора. Для биполярного транзистора это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той её части, которая вызвана тепловыми шумами сопротивления источника сигнала.

Рмакс — максимально допустимая постоянно рассеиваемая мощность.

Рк.макс — максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора.

Рк.и.макс — максимально допустимая импульсная мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора.

Рк.ср.макс — максимально допустимая средняя мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора.

Q — скважность.

Rтп-с — тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде.

Rтп-к — тепловое сопротивление от перехода к корпусу транзистора.

tвкл — время включения биполярного транзистора. Интервал времени, являющийся суммой времени задержки и времени нарастания.

tвыкл — время выключения биполярного транзистора. Интервал времени между моментом подачи на базу запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе транзистора достигнет значения, соответствующего 10% его амплитудного значения.

Тмакс — максимальная температура корпуса транзистора.

Тп.макс — максимальная температура перехода транзистора.

tрас — время рассасывания биполярного транзистора. Интервал времени между моментом подачи на базу запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе транзистора достигает заданного уровня.

Uкб — напряжение коллектор — база транзистора.

Uкбо.макс — максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — база при токе эмиттера, равном нулю.

Uкбо.и.макс — максимально допустимое импульсное напряжение коллектор — база при токе эмиттера, равном нулю.

Uкэо.гр — граничное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при разомкнутой цепи базы и заданном токе эмиттера.

Uкэ_R макс — максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном (конечном) сопротивлении в цепи база — эмиттер транзистора.