Материал: Классификация усилителей

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

1. Полупроводник p типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.

2. Полупроводник n типа

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

3. P-n переход

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n- областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

4. Вид пробоев в p-n переходе

Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя.

В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.

Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.

Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

5. Выпрямительные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, имеющий один p-n- переход и два внешних вывода, действие которого основано на том или ином свойстве p-n-перехода.

Выпрямительный диод работает на вентильном свойстве (свойстве односторонней проводимости) p-n- перехода, предназначен для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительного диода — это работа p-n-перехода в прямом и обратном направлении. Остановимся на этом несколько подробнее. Если имеем кристалл полупроводника,

одна часть которого имеет p-проводимость, другая – n проводимость, то на границе происходит диффузия основных носителей заряда, т.е. дырок из p-области и электронов из n-области. В результате диффузии на границе p-области образуется отрицательный пространственный заряд, n-области – положительный пространственный заряд. Другими словами, на границе полупроводников с разной проводимостью образуется область, лишенная основных носителей заряда. Эта область и называется p-n-переходом

Выпрямительный диод — это диод, принцип действия которого основан на свойстве односторонней проводимости p-n-перехода, т. е. на его способности проводить ток только в прямом направлении. Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в постоянный — выпрямления. Так как выпрямительные диоды наиболее распространены, то на схеме они обозначаются общим обозначением диода.

6. Стабилитрон

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на явлении электрического пробоя p-n- перехода. При электрическом пробое обратное напряжение на диоде практически не зависит от протекающего через него тока. Это

явление используется для стабилизации напряжения (поддержания напряжения на неизменном уровне) в цепях постоянного тока. Стабилитрон включается в обратном направлении, параллельно с нагрузкой (цепью в котрой напряжение должно быть неизменным). Для исключения теплового пробоя стабилитроны как правило включают через токоограничительный (балластный) резистор.

7. Светодиод

Светодиод – полупроводниковый диод, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическую. Известно, что при пропускании прямого тока через p-n- переход учащаются акты рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электрона

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

из зоны проводимости в валентную зону. Это сопровождается излучением кванта энергии. При определенном подборе материала, из которого изготавливается диод, излучаемая оптическая энергия может находиться в видимой части спектра. Исходным материалом для изготовления светодиода служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделенной в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения приходится порядка 10-20 %, поэтому кпд светодиода не велик. Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов. Конструкция диода обеспечивает передачу света от p-nперехода без значительных потерь в теле полупроводника. Светодиод работает при подаче напряжения в прямом направлении. Схема включения, ВАХ и условное обозначение светодиода показаны на рис 1.5.

8. Фотодиод

Это полупроводниковые приборы, с p–n–переходом, в которых под действием лучистой энергии в области p появляются дополнительные носители электричества дырки а в области n – электроны На рис. 1.4.1 показаны две схемы включения ФД:

а – фотогенерации (солнечной батареи), б – фотопреобразования.

Наибольший КПД солнечных батарей (до 20 %) удается получить, используя кремниевые ФД. Удельная выходная мощность солнечных батарей достигает кВт/м2. Вольт – амперные характеристики ФД в режиме фотогенератора и фотопреобразователя представлены на рис.1.4.1в,г (германиевый ФД). Чувствительность ФД (мА/лм): селеновые 0,3 – 0,75, кремниевые – 3, сернистосеребряные 10 – 15, германиевые – до 20.

Спектральные и частотные характеристики ФД зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые имеют спектральную характеристику, близкую к спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза. Поэтому их широко применяют в фото– и кинотехнике. ФД на основе германия и арсенида галлия могут работать при модуляции света в сотни МГц. Существенным недостатком ФД является зависимость их параметров от температуры. По сравнению с фоторезисторами ФД имеют большее быстродействие, но меньшую чувствительность.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

9. Оптоэлектронная пара

Оптоэлектроника – это самостоятельная область электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронные устройства используются для генерации, преобразования, запоминания и хранения информации.

Основной элемент оптоэлектроники – оптрон (оптопара). Это электронный прибор, в одном корпусе которого заключены источник лучистой энергии, оптический канал и приемник лучистой энергии. Следует заметить, есть оптроны с открытым оптическим каналом.

Передача информации с помощью оптронов обеспечивает высокую помехозащищенность, быстродействие (0...100 МГц), гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптроны хорошо согласуются с цифровыми индикаторными микросхемами. В оптронах в качестве источника излучения обычно используются арсенид – галлиевые СИДы и фотоприемники на основе кремния, так как они хорошо согласуются по спектральным характеристикам. Это обеспечивает оптимальную передачу сигнала с входа оптрона на выход. В качестве фотоприемников в оптронах используются все вышеописанные фотопринимающие приборы.

Различные типы оптронов приведены на рис.1.4.5: а – резисторный, б – диодный, в– транзисторный (биполярный), г – транзисторный (полевой), д – динисторный, е – тиристорный и т.д.

10. Тунельный диод

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, использующий туннельный эффект для переноса носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Это высокочастотный прибор, применяется как маломощный генератор и усилитель высоких частот, находит применение в ключевых схемах автоматики.

Изготавливаются эти приборы из германия и арсенида галлия. Как следует и рис. 1.6, а) односторонняя проводимость у диода полностью отсутствует. При отрицательном напряжении ВАХ линейна, проходит через начало координат и несколько «прижата» к оси ординат. В прямой ветви характеристики наблюдается падающий участок, которому соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление (участок ab) и причиной которого является туннельный эффект – эффект прохождения носителей заряда через туннели в p-n-переходе без преодоления потенциального барьера. Пояснить ВАХ можно следующим образом. В туннельном диоде концентрация примесей очень высокая, за счет этого ширина p-n-перехода чрезвычайно мала и доходит до сотых долей микрона, в результате чего расстояние между ионами доноров (n-полупроводник) и ионами акцепторов (p-полупроводник) становится меньше, чем расстояние между ионами только доноров и ионами только акцепторов. В результате электрическое поле в p-n-переходе крайне неравномерно и напряженность поля

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

велика. Максимум напряженности достигается на участках перехода донор-акцептор, минимум напряженности – в пространстве между узлами кристаллической решетки. Именно там и образуются туннели, в которых напряженность близка к нулю, и носители зарядов могут через туннели свободно проходить из «p» области в «n» и наоборот. При отсутствии внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. При подаче малого напряжения (участок 0а) под действием внешнего поля устанавливается чисто туннельный ток основных носителей. В точке a происходит насыщение туннелей, и дальнейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока (участок ab).

11. Тиристор

Тиристоры

широко применяются при создании управляемых выпрямителей, инверторов, как ключевые элементы

в различных устройствах автоматики и регулирования. Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор p–n–p–n, т.е. прибор с тремя p–n–переходами (рис.1.8). Наружный слой р1 является анодом А, а наружный слой n2–катодом К. К промежуточному слою р2 подведен управляющий электрод У. Тиристор – это полупроводниковый вентиль ключевого типа. Он имеет два рабочих состояния: “включено”, когда его сопротивление может быть принято равным нулю, и “выключено”, когда его прямое сопротивление принимается равным бесконечности. Поэтому он называется прибором ключевого типа. Тиристор приводится в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса тока положительной полярности, когда к его аноду приложено положительное напряжение. Время включения тиристора в зависимости от его типа составляет от 1 до 25 мкс. После включения тиристора импульс управления можно снять, вентиль остается в открытом состоянии. Открытый тиристор становится неуправляемым по цепи управления, и выключить его, подняв минус на управляющий электрод, нельзя. Для прекращения состояния проводимости тиристора необходимо снизить напряжение источника анодного питания практически до нуля. Время выключения составляет от 10 до 250 мкс.

Построение выполнено для трех значений тока управления Iу1> Iу= 0. Обратная ветвь вольт–амперной характеристики тиристора аналогична обратной ветви вольт– амперной характеристики полупроводникового диода и не зависит от тока управления Iу. При прямом анодном напряжении Uпр вольт–амперная характеристика имеет две резко отличающиеся области. Одна из них соответствует запертому состоянию тиристора (горизонтальный участок характеристики), в котором его анодный ток очень мал (измеряется единицами или долями миллиампера), из за чего все