Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция по учебной дисциплине:
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
ТЕМА 3. Полупроводниковые приборы.
Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение.
Занятие 2. Транзисторы их свойства и применение, тиристоры свойства, применение в технике.
Занятие 3. Логические элементы, назначение и применение в электронике.
УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ
1. Ознакомить курсантов полупроводниковыми материалами и их свойствами
2. Ознакомить курсантов с полупроводниковыми приборами, их характеристиками.
3. Ознакомить курсантов с логическими элементами и их применением в электронной технике.
ВРЕМЯ: 3 часа (135 минут):
Занятие 1: 1 час;
Занятие 2: 1 час
Занятие 3: 1 час
МЕТОД: лекция
МЕСТО: учебная аудитория
РАЗРАБОТАЛ: ЖЕРДЕВ И.А.
Астана 2010г.
Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение.
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Полупроводниковые материалы(15 мин.).
3. Р-n переход(10мин.).
4. Полупроводниковые диоды (15 мин.)
5. Заключительная часть занятия (3 мин.).
Занятие 2. Транзисторы их свойства и применение, тиристоры свойства, применение в технике.
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Транзисторы свойства, применение в электротехнике (20 мин.).
3. Тиристоры основные свойства, применение в электротехнике(20мин.).
4. Заключительная часть занятия (3 мин.).
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Логические элементы их применение в электротехнике (10 мин.).
3. Теоретические основы работы логических элементов (30мин.).
4. Заключительная часть занятия (3 мин.).
Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Полупроводниковые материалы(15 мин.).
3. Р-n переход(10мин.).
4. Полупроводниковые диоды (15 мин.)
5. Заключительная часть занятия (3 мин.).
3.1.1 Организационная часть занятия (2мин.).
1. проверить количество курсантов;
3.1.2 Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности.
Начало активной разработки полупроводниковых приборов относится к 40-м годам прошлого столетия, когда впервые при экспериментальных исследованиях точечных диодов были обнаружены усилительные свойства некоторых полупроводниковых конструкций. Дальнейшее исследования позволили выяснить электрофизические процессы происходящие при этом и использовать их в технике.
Для уяснения принципа работы полупроводниковых приборов рассмотрим основные электрофизические явления в полупроводниковых материалах.
В зависимости от проводимости все вещества делятся на: проводники (металлы), диэлектрики (непроводники), и полупроводники. Электрические свойства твердых тел определяется расположение электронных уровней.
Электроны в атоме обладают различной энергией. Набор всевозможных значений электронов данного атома представляют с помощью схемы (диаграммы энергетических уровней). В молекулах следствии взаимодействия между атомами отдельные энергетические уровни расщепляются, в кристаллах взаимодействие настолько сильное, что уровни вырождаются в зоны. Области между зонами соответствуют значениям энергии которыми электроны обладать не могут, и называются запрещенными зонами.
Любая разрешенная энергетическая зона состоит из большого числа близкорасположенных энергетических уровней, на каждом из которых может находиться по два электрона с противоположными спинами. В энергетических зонах с полностью занятыми уровнями электроны не могут свободно перемещаться, создавая проводимость. Последняя из заполненных энергетических зон называется валентной.
Электрическая проводимость обусловлена свободно движущимися электронами. Их энергетические уровни располагаются выше в незаполненной разрешенной зоне, которая называется зоной проводимости.
Различие между проводниками полупроводниками и диэлектриками объясняется шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны может быть так же равна нулю. В этом случае валентная зона и зона проводимости перекрываются.
В металлах имеется очень много свободных электронов. На каждые 1-10 атомов приходится один свободный электрон, который может свободно перемещаться между атомами. Совокупность свободных электронов называется электронным газом. Приложенное к проводнику напряжение создает электрическое поле, под действием которого возникает направленное движение электронов.
При 0 К полупроводники не содержат свободных электронов и поэтому представляют собой диэлектрики. Однако в отличие от диэлектриков у полупроводников при повышении температуры возникает проводимость. Техническое применение это свойство полупроводников находит в термисторах и сопротивлениях с отрицательным температурным коэффициентом.
В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и пустых мест (дырок) движется в противоположных направлениях, проводимость возрастает с повышением температуры.
Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомов других элементов (легированием). При введении в решетку полупроводника примесей возникает примесная проводимость. Например при легировании четырехвалентного германия пятивалентным мышьяком (или сурьмой, фосфором) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. Один атом примеси приходится на 105 – 106 атомов решетки полупроводника. Примеси приводящие к появлению свободных электронов называются донорными. При этом происходит увеличение свободных электронов примерно в 103, электроны в данном случае являются основными носителями, а сам полупроводник с электронной проводимостью или n-типа.
Проводимость проводника можно увеличить легируя его элементами с меньшей валентностью. При введении в решетку четырехвалентного германия трехвалентного индия (либо бора, галлия), то в месте введения атома примеси возникает лишняя дырка, такие примеси уменьшают количество свободных электронов, и их называют акцепторными. Такой полупроводник называется дырочным полупроводником, или полупроводником р-типа.
3.1.3 Р-n переход
При соединении двух полупроводников с различными типами проводимости в месте соединения образуется пограничный слой, через который диффундируют основные носители заряда из области, где они являются основными, в сопредельную область, стремясь уравнять значение концентрации по обе стороны этого слоя. В результате этого по обе стороны возникает тонкий слой, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя. Если положительный полюс источника соединить с р-областью, а отрицательный соответственно с областью n-типа, то большое число основных носителей диффундирует в пограничный слой, где произойдет рекомбинация. При этом возникает относительно большой прямой электрический ток. При использовании обратной полярности, то есть положительный вывод источника питания соединен с n-областью, а отрицательный с р-областью, основные носители покидают пограничный слой. В рекомбинации участвуют относительно небольшое количество неосновных носителей и возникает очень слабый обратный ток.
Таким образом p-n переход работает как выпрямитель, для сравнения из гидравлических агрегатов подходит обратный клапан, пропуская ток только из р-области в n-область.
3.1.4 Полупроводниковые диоды
Дио́д (от др.-греч. δι — два и -од[ из слова электрод) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.
На рис. полупроводниковый диод в стеклянном корпусе, виден полупроводник с контактами, подходящими к нему.
Рис. трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах
Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток сети. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию - пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.
Диодные детекторы
Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п.. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.
Диодная защита
Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.
Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.
Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.
Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они не будут рассмотрены на нашем занятии.
3.1.5 Заключительная часть занятия (5 мин.).
1. подвести итоги;
2. выдать задание на самоподготовку;
3. ответить на вопросы.
Занятие 2. Транзисторы их свойства и применение, тиристоры свойства, применение в технике.
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Транзисторы свойства, применение в электротехнике (20 мин.).
3. Тиристоры основные свойства, применение в электротехнике(20мин.).
4. Заключительная часть занятия (3 мин.).
3.2.1 Организационная часть занятия
1. проверить количество курсантов;
3.2.2 Транзисторы свойства, применение в электротехнике
Современную электротехнику невозможно представить без таких приборов как транзисторы и схемы на их основе.
Для работы надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.
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»). Схематическое устройство транзистора показано на рисунке.
Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора
Нормальный активный режим- переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт).
Инверсный активный режим- эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Режим насыщения-Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Режим отсечки- в данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
1.) Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
2.) Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх
1.)Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]
2.)Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Недостатки схемы с общей базой : малое усиление по току, так как α < 1, малое входное сопротивление, два разных источника напряжения для питания.
Достоинства: хорошие температурные и частотные свойства, высокое допустимое напряжение.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ
1.)Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]
2.)Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб
Достоинства: большой коэффициент усиления по току, большой коэффициент усиления по напряжению, большое усиление мощности, можно обойтись одним источником питания, выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки: худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой
Схема с общим коллектором
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]
Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб
Достоинства: большое входное сопротивление
Малое выходное сопротивление
Недостатки: Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»
3.2.3 Тиристоры основные свойства, применение в электротехнике
Рис. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.
Основная схема тиристорной структуры показана на рис.. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, называемых также диаками (от англ. diac), часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.
Вольтамперная характеристика тиристора
Рис. Вольтамперная характеристика тиристора
Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:
Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание. В точке 1 происходит включение тиристора. Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости). В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih. Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора. Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя. Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.
Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 109 А/сек, напряжения — 109 В/сек, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; кпд достигает 99 %.
Тиристороры в электронной технике применяются как электронные ключи, управляемые выпрямители, преобразователи (инверторы), регуляторы мощности
3.2.4 Заключительная часть занятия (5 мин.).
1. подвести итоги;
2. выдать задание на самоподготовку;
3. ответить на вопросы.
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Логические элементы их применение в электротехнике (10 мин.).
3. Теоретические основы работы логических элементов (30мин.).
4. Заключительная часть занятия (3 мин.).
3.3.1 Организационная часть занятия
1. проверить количество курсантов;
Следует отметить, что полученная после преобразований функция не является полностью минимизированной.
3.3.4 Заключительная часть занятия
1. подвести итоги;
2. выдать задание на самоподготовку;
3. ответить на вопросы.