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
Полупроводниковые устройства и приборы.
1.Общие сведения о полупроводниках
Полупроводниковые материалы объединяют обширный класс материалов с удельным сопротивлением 108 – 10-6 Ом м. Наибольшее применение нашли кремний Si и германий Ge. Рассмотрим основные процессы в полупроводниковых материалах на основе их идеализированных моделей.
В электронной структуре идеального кристалла кремния из IV группы периодической системы элементов Менделеева каждый из четырех валентных электронов любого атома образует связанную пару (валентная связь) с такими же валентными электронами четырех соседних атомов. Если на атомы кремния не действуют внешние источники энергии (свет, теплота), способные нарушить его электронную структуру, то все атомы электрически нейтральны. Такой идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток.
Однако электрические свойства идеального кристалла кремния существенно изменяются при добавлении в него примесей других химических элементов. В качестве примесей применяются обычно элементы либо из V (сурьма Sb, фосфор Р), либо из III группы (галлий Gа, индий In) периодической системы.
В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником n-типа, а соответствующая примесь – донорной. На (рис. 1) приведено условное изображение идеального полупроводника n-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон – знаком минус.
Рисунок 1. Условное изображение идеального полупроводника n-типа.
Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремниия одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется «дырка». Дл образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т.д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь – акцепторной. На (рис. 2) приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.
Рисунок 2. Условное изображение идеального полупроводника p-типа.
Свободные электроны и дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи, Разрыв одной валентной связи в электрически нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары «электрон – дырка», изображенной условно на (рис.3).
Рисунок 3. Условное обозначение рождения пары «электрон – дырка».
Этот процесс называется генерацией или термогенерацией, если источником энергии служит тепловая энергия. Одновременно протекает и обратный процесс – рекомбинация, т.е. восстановление валентной связи при встрече электрона и дырки.
Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донорной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников n-типа свободные электроны называются основными, а дырки – неосновными носителями заряда. Для полупроводника р-типа основными носителями заряда служат дырки, а неосновными – электроны. Концентрация основных носителей, т.е. их число в 1 см3, обычно значительно превышает концентрацию неосновных носителей.
Если в однородном полупроводниковом стержне создать с помощью внешнего источника электрической энергии напряженность электрического поля Е, то наряду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т.е. электрический ток, называемый током проводимости.
|
(1) |
где
In и Ip, – электронная и дырочная составляющие тока.
За время свободного пробега среднего расстояния lср, между атомами полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию:
|
(2) |
Этой энергии при напряженности электрического поля Еп> 6 МВ/м достаточно для ударного возбуждения атомов полупроводника, т.е. разрыва в них валентных связей и рождения пары «электрон-дырка». Происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, следовательно, удельной проводимости полупроводника. Описанное явление называется лавинным пробоем. Лавинный пробой обратим. Свойства полупроводника восстанавливаются при уменьшении напряженности электрического поля. Этим лавинный пробой отличается от теплового пробоя. Последний наступает за лавинным пробоем при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрушение полупроводника.
2. Полупроводниковые диоды.
В полупроводниковых диодах используется свойство р-n-перехода хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями.
По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами сплавления пластин р- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примеси атомов. При этом р-n-переход создается на значительной площади (до 1000 мм2). В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм2. Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10 – 20 мА.
По функциональному назначению полупроводниковые диоды делят в на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, излучающие диоды. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. На (рис. 4) приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика.
Рисунок 4.Условное обозначение выпрямительного диода и его характеристика.
Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному К выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток IПР, и соответствующее ему прямое напряжение UПР, допустимое обратное напряжение UОБР и соответствующий ему обратный ток IОБР, допустимая мощность рассеяния PРАС, и допустимая температура окружающей среды (до 50 °С для германиевых и до 140 °С для кремниевых диодов).
Вследствие большой площади р-n-перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.
Стабилитроны называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используют явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-n-перехода при определенных значениях обратного напряжения UОБР=UПРОБ (рис.5).
Рисунок 5. Условное обозначение и ВАХ стабилитрона.
На (рис.6), приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки RН. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора напряжение между выходными выводами изменяется незначительно.
Рисунок 6.Схема стабилизатора напряжения.
3. Классификация полупроводниковых устройств.
По своим функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три группы: преобразовательные, в том числе выпрямительные; усилительные и импульсные, в том числе логические.
Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока – преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. С помощью импульсных логических устройств создают различные системы управления. Реальные проводниковые устройства часто содержат элементы нескольких групп, а также генераторы синусоидальных колебаний, стабилизаторы напряжения и т.п.
4. Неуправляемые выпрямители
В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис. 7) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.
Рисунок 7. Структурная схема выпрямительного устройства.
Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.
По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническому решению – с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения – неуправляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для выправления синусоидального напряжения включают диоды, т.е. неуправляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения – обычно емкостные фильтры.
5.Однофазные выпрямители.
В однофазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора приемник подключается к выводу от середины вторичной обмотки трансформатора (рис.8).
Рисунок 8. Схема однофазного выпрямителя.
Сначала рассмотрим работу выпрямителя без сглаживающего фильтра (ключ S разомкнут). Если в каждой половине вторичной обмотки с числом витков w2 считать положительным то направление тока при котором соответствующий диод открыт, то ток в каждой половине обмотки будет синусоидальным и положительным в полупериод и равным нулю в отрицательный полупериод (рис9).
Рисунок 9. График изменения токов.
В приемнике положительные направления обоих токов совпадают:
|
(3) |
При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки и действующее значение находятся по формулам:
|
|
(4) |
Ток в первичной обмотке синусоидальный
|
(5) |
И совпадает по фазе с синусоидальным напряжением сети (рис.10).
|
(6) |
Рисунок 10. Волновая диаграмма тока и напряжения.
Теперь рассмотрим работу выпрямителя после включения фильтра (ключ S замкнут). По первому закону Кирхгофа прямой ток диода VD1.
|
(7) |
Или
|
(8) |
Где
|
(9) |
И
|
(10) |
Подставив в уравнение значение тока i1=0 определим момент времени закрывания диода:
|
(11) |
Начиная с момента t1 напряжение на приемнике будет изменяться по экспоненциальному закону.
|
(12) |
На (рис.11) штриховая линия.
Рисунок 11. Экспоненциальный закон изменения напряжения.
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе и на входе выпрямителя будут равны и откроется диод VD2. Далее этот процесс будет повторяться, происходит периодическая зарядка конденсатора током от источника энергии и его последующая разрядка на цепь приемника (рис.12)
Рисунок 12. Зарядка и разрядка конденсатора.
Включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую U0 и уменьшает содержание гармонических составляющих выпрямленного напряжения.
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U0 от среднего значения выпрямленного тока I0 называется внешней характеристикой выпрямителя. На (рис.13) приведены внешние характеристики однофазного выпрямителя без сглаживающего фильтра (кривая 1) и со сглаживающим фильтром (кривая 2).
Рисунок 13. Внешние характеристики однофазного выпрямителя.
Уменьшение напряжения U0, при уменьшении сопротивления цепи нагрузки и увеличении выпрямленного тока объясняется увеличением падения напряжения на реальном диоде с нелинейной ВАХ, а во втором случае – также более быстрой разрядкой конденсатора.
В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 14) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста.
Рисунок 14. Однофазная мостовая схема выпрямления.
Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i1 а другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i2 первые два диода заперты (рис. Ж, а), Для мостовой схемы справедливы все полученные выше отношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрямленный iн=i1+i2, , а ток источника i=i1-i2, синусоидальный.
Многофазные выпрямители. Многофазное выпрямление дает возможность значительно уменьшить пульсации выпрямленного напряжения. На (рис. 15) показана схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора.
~
Рисунок15. Схема трехфазного выпрямителя.
В каждый момент времени ток проводит только тот диод, анод которого соединен с выводом вторичной обмотки трехфазного трансформатора (a,b,c), и напряжение на которой (ua,ub,uc) положительное и наибольшее(рис.16).
Рисунок 16. Графики изменения напряжений.
Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток (ia,ib,ic) представляют собой три последовательности импульсов с периодом повторения T=2π/ω , длительностью T/3 и амплитудой каждая, сдвинутые относительно друг друга на 1/3 периода(рис 17).
Рисунок 17.Импульсы токов.
Тогда токи первичных обмоток равны:
|
|
(13) |
И ток нагрузки iН=ia+ib+ic имеет постоянную составляющую, а выпрямленное напряжение совпадает по фазе с огибающей положительных полуволн напряжений вторичных обмоток uн=Rнiн (рис.17).
Рисунок 17. Графики напряжения вторичных обмоток.
В трехфазной мостовой схеме выпрямителя нулевой вывод вторичной обмотки трехфазного трансформатора не нужен, поэтому его вторичные обмотки могут быть соединены как треугольником, так и звездой, или вообще отсутствовать. При отсутствии трансформатора, выпрямитель подключается к источнику (рис.18).
Рисунок 18. Схема включения трехфазного мостового выпрямителя.
Половина диодов выпрямителя (VD1,VD3VD5) образуют группу в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины (VD2,VD4, VD6), соединены все анодные выводы.
В каждый момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним и диоды второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по отрицательному значению потенциал. Чтобы проследить порядок переключения диодов разделим период на шесть частей (рис.19). При этом происходит шесть переключений диодов , т.е. в два раза больше числа фаз.
Рисунок 19. График напряжений трехфазной мостовой схемы выпрямления.
Работу выпрямителя иллюстрируют совмещенные по времени кривые токов диодов первой и второй группы (рис.20).
Рисунок 20. Графики токов работы трехфазных мостовых выпрямителей.
И выпрямленного напряжения uн=Rнiн (рис.21).
Рисунок 21. Графики выпрямленного напряжения трехфазного мостового выпрямителя.
Заметим, что максимальное значение выпрямленного напряжения равно ампоитуде синусоидального линейного напряжения трехфазного источника*UМ , а максимальное значение выпрямленного тока .
КПД неуправляемых выпрямителей достигает 98%.
Управляемые выпрямители.
Принципы построения управляемых однофазных и многофазных выпрямителей такие же, как и одноименных неуправляемых выпрямителей, но диоды, т, е. неуправляемые вентили, заменяются тиристорами, т.е. управляемыми вентилями. Программа включения тиристоров задается соответствующей последовательностью управляющих импульсов напряжения системы управления.
Рассмотрим работу однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом трансформатора (рис. 22)
Рисунок 22. Схема однофазного управляемого выпрямителя.
Режим работы выпрямителя в общем случае зависит от значения параметров цепи нагрузки. Наиболее распространены два случая. Схема замещения цепи нагрузки содержит: 1) резистивный элемент с сопротивлением RН; Последовательное соединение резистивного и индуктивного элементов (RН и LН). Примем для упрощения анализа, что трансформатор с числом витков первичной w1, и каждой половины вторичной w2, обмоток – идеальный с напряжениями на половинах вторичной обмотки u1, и и2 (рис.23).
Рисунок 22.Графики напряжений однофазного управляемого выпрямителя.
При отсутствии индуктивности цепи нагрузки два плеча выпрямителя работают независимо один от другого (рис. 23) как однофазные однополупериодные управляемые выпрямители, последовательности управляющих импульсов напряжения которых, поступающих от системы управления СУ, сдвинуты относительно друг друга на половину периода.
Рисунок 23. Работа управляемого выпрямителя.
При угле управления α< 180° ток в первичной обмотке трансформатора не синусоидальный (рис.24).
Рисунок 24. Несинусоидальный ток управляемого однофазного выпрямителя.
А ток в цепи нагрузки представляет собой последовательность импульсов с периодом повторения Т/2 (рис.25).
Рисунок 25. Графики тока в цепи нагрузки управляемого однофазного выпрямителя.
Классификация усилителей.
Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения параметров электрических сигналов за счет энергии включенного источника питания. Различные усилители применяются для преимущественного усиления значений тех или иных параметров сигналов. По этому признаку они делятся на усилители напряжения, тока и мощности.
Возможны линейный и нелинейный режимы работы усилителя. В усилителях с практически линейным режимом работы получается минимальное искажение формы усиливаемого сигнала, который всегда можно представить совокупностью гармоник различной частоты. Искажение сигнала будет минимальным, если без искажения будут усиливаться все его гармонические составляющие. Свойство усилителя увеличивать амплитуду гармонических составляющих сигнала характеризует его амплитудно-частотная характеристика АЧХ. По типу АЧХ различают усилители, медленно изменяющихся напряжений и токов, или усилители постоянного тока (рис.26).
Рисунок 26. АЧХ усилителей постоянного тока.
Усилители низких частот (рис.27) усилители высоких частот (рис.28), широкополосные усилители (рис. 29) и узкополосные усилители (рис.30).
Рисунок 27. АЧХ усилителей низких частот.
Рисунок 28. АЧХ усилителей высоких частот.
Рисунок 29. АЧХ широкополосных усилителей частот.
Рисунок 30. АЧХ узкополосных усилителей частот
Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различного типа приведены в табл. 1.
|
Тип усилителя |
Граница нижних частот fн, Гц |
Граница верхних частот fв, Гц |
|
Усилитель постоянного тока |
0 |
103-108 |
|
Усилитель низких частот |
20-50 |
104 -2*104 |
|
Усилитель высоких частот |
104 -105 |
107 -108 |
|
Широкополосный усилитель |
20 -50 |
107 - 108 |
В усилителях с нелинейным режимом работы при увеличении значения напряжения на входе больше некоторого граничного уровня изменение напряжения на выходе усилителя практически отсутствует. Такие усилители применяются главным образом в устройствах импульсной техники, в том числе логических.
В настоящее время усилительная техника основана на широком внедрении усилителей в интегральном исполнении. Поэтому актуальным становится считается проблема разработки не самих усилителей, а их применение для реализации различных функциональных узлов систем автоматики, управления и измерения.
12