Полупроводниковые приборы. 4
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Вечерне-заочный факультет
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1
по дисциплине «Электроника»
по теме
«Полупроводниковые приборы»
Выполнил:
Студент 2 курса ВЗФ
специальности: «Электроэнергетика и электротехника»
Ф.И.О. Кожевников Иван Владимирович
Шифр: ЭЛ.б.з.с.-11232
Проверил:
Контрольная работа №1
- В чём заключается и чем объясняется выпрямляющий эффект электронно-дырочного p-n-перехода?
Контакт двух полупроводников обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока. В одном направлении (запорном) оно велико, в противоположном (пропускном) - мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного (р) и электронного (n) полупроводников, когда работа выхода электрона из электронного полупроводника меньше, чем из дырочного. О таком контакте говорят, как об электронно-дырочном (р-n) контакте или переходе.
Для получения хороших p-n переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси - донорную и акцепторную. Первая сообщает полупроводнику электронную, а вторая - дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять элемент пятой группы периодической системы (фосфор, мышьяк и пр.), а в качестве акцептора - элемент третьей группы (бор, индий и пр.). В результате в одной половине пластинки возникает электронная, а в другой - дырочная проводимость, а между обеими половинками - тонкий переходный слой. Это и есть p-n переход.
Электронно-дырочный переход (p-n-переход, n-p-переход), переходная область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.
В состоянии равновесия уровень Ферми в n- и p-областях выравнивается. Происходит это в результате следующих процессов. На представленной схеме изображен полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.
Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.
Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.
12. Объясните принцип работы датчика Холла. ВАХ.
Интегральные датчики магнитного поля в своём большинстве используют эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E.Hall) в 1879 г. Эффект Холла состоит в следующем. Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла.Эта э.д.с. пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока j.
Рис.1 Иллюстрация эффекта Холла
Рис.2 Расположение двух элементов Холла на ИМС, компенсирующее ошибку, вызванную механической деформацией кристалла
где d – ширина пластины, q – заряд частицы-носителя, n – концентрация носителей. При снижении концентрации носителей э.д.с. Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний, арсенид галлия и др. Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис. 1, эта э.д.с. равна
где kн – постоянная Холла, VS – напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла. Для кремния kн составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл), поэтому, как правило, э.д.с. датчика Холла требуется усиливать. Кремний обладает тензорезистивным эффектом, заключающимся в изменении сопротивления при механических напряжениях. Желательно уменьшить это влияние в датчике Холла. Это достигается соответствующей ориентацией элемента Холла на интегральной схеме и использованием нескольких элементов на кристалле. На рис. 2 показаны два элемента Холла, расположенные рядом на кристалле ИМС. Они позиционированы так, что испытывают практически одинаковое механическое напряжение, вызывающее изменение R. К элементу, который на рисунке изображён слева, приложено напряжение возбуждения VS, направленное по вертикальной оси, а к изображённому справа – по горизонтальной. При сложении сигналов этих двух датчиков ошибка, вызванная деформацией кристалла, компенсируется.
Типичные ВАХ и выходные характеристики, т. е. ЭДС Холла в зависимости от напряжения питания, при различных значениях напряжения на управляющих электродах, представлены на рис. 3.
Рис. 3. Типичные вольтамперные и соответствующие характеристики.
26. Какими параметрами характеризуются биполярные и униполярные транзисторы?
Основные параметры биполярного транзистора:
- Коэффициент передачи по току
- Входное сопротивление
- Выходная проводимость
- Обратный ток коллектор-эмиттер
- Время включения
- Предельная частота коэффициента передачи тока базы
- Обратный ток коллектора
- Максимально допустимый ток
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
Условные обозначения параметров биполярных и униполярных транзисторов:
|
|
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
- коэффициент усиления по току α;
- сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному.
Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем.
Основные параметры униполярного транзистора:
Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость - проводимость участка сток - исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 - у12 ; функция обратной передачи - проходной проводимостью уЗС = у12 . Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.
Начальный ток стока IС.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток IЗСО - ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор - исток I ЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.
Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс - напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор - напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
Крутизна характеристик полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.
Входная емкость полевого транзистора С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и - емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и - емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор - исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Коэффициент усиления по мощности Кур - отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения.
37. Перечислите
разновидности современных
Виды полупроводниковых приборов:
Полупроводниковый прибор– прибор, действие которого основано на использовании свойств полупроводника.
Силовой полупроводниковый прибор– полупроводниковый прибор, предназначенный для применения в силовых цепях электротехнических устройств.
Полупроводниковый блок– совокупность полупроводниковых приборов, соединенных по определенной электрической схеме и собранных в единую конструкцию, имеющую более двух выводов.
Набор полупроводниковых приборов– совокупность полупроводниковых приборов, собранных в единую конструкцию, не соединенных электрически или соединенных по одноименным выводам.
Полупроводниковый диод– полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами.
Точечный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод с точечным переходом.
Плоскостной полупроводниковый диод– полупроводниковый диод с плоскостным переходом.
Выпрямительный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.
Лавинный выпрямительный диод– выпрямительный полупроводниковый диод с заданными характеристиками минимального напряжения пробоя, предназначенный для рассеивания в течение ограниченной длительности импульса мощности в области пробоя вольтамперной характеристики.
Выпрямительный полупроводниковый диод с контролируемым лавинным пробоем– выпрямительный полупроводниковый диод с заданными характеристиками максимального и минимального напряжения пробоя, предназначенный для работы в установившемся режиме в области пробоя обратной ветви вольтамперной характеристики.
Выпрямительный полупроводниковый столб– совокупность выпрямительных полупроводниковых диодов, соединенных последовательно и собранных в единую конструкцию, имеющую два вывода.
Выпрямительный полупроводниковый блок– полупроводниковый блок, собранный из выпрямительных полупроводниковых диодов.
Импульсный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.
Полупроводниковый диод с резким восстановлением обратного сопротивления– полупроводниковый диод, накапливающий заряд при протекании прямого тока и обладающий эффектом резкого восстановления обратного сопротивления, который используют для целей умножения частоты и формирования импульсов с малым временем нарастания.
Диод с накоплением заряда– импульсный полупроводниковый диод, накапливающий заряд при протекании прямого тока и обладающий эффектом резкого обратного восстановления при подаче обратного напряжения, который используется для формирования импульсов с малым временем нарастания.
Туннельный полупроводниковый диод – полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
Обращенный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении, а пиковый ток и ток впадины приблизительно равны.
Сверхвысокочастотный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала.
Лавинно-пролетный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначенный для генерации сверхвысокочастотных колебаний.
Инжекционно-пролетный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, работающий в режиме инжекции носителей заряда в область запорного слоя и предназначенный для генерации сверхвысокочастотных колебаний.
Переключательный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, имеющий на частоте сигнала низкое сопротивление при прямом смещении и высокое сопротивление– при обратном, предназначенный для управления уровнем мощности сигнала.
Смесительный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
Диод Ганна– полупроводниковый диод, действие которого основано на появлении отрицательного объемного сопротивления под воздействием сильного электрического поля, предназначенный для генерирования и усиления сверхвысокочастотных колебаний.
Коммутационный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для коммутации высокочастотных цепей.
Регулируемый резистивный полупроводниковый диод– полупроводниковый p-i-n диод, применяемый для регулирования сопротивления в тракте передачи сигнала, активное сопротивление которого для высокочастотного сигнала определяется постоянным током прямого смещения.
Детекторный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод предназначенный для детектирования сигнала.
Ограничительный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод с лавинным пробоем, предназначенный для ограничения импульсов напряжения.
Умножительный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для умножения частоты.
Модуляторный полупроводниковый диод– полупроводниковый диод, предназначенный для модуляции высокочастотного сигнала.
Диод Шоттки– полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника.
Варикап– полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Параметрический полупроводниковый диод – варикап, предназначенный для применения в диапазоне сверхвысоких частот в параметрических усилителях.
Полупроводниковый стабилитрон (Стабилитрон, Ндп.Зенеровский диод)– полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне, и предназначенный для стабилизации напряжения.
Полупроводниковый шумовой диод– полупроводниковый прибор являющийся источником шума с заданной спектральной плотностью в определенном диапазоне частот.
Биполярный транзистор– полупроводниковый прибор с двумя взаимодействуюшими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Примечание. Работа биполярного транзистора зависит от носителей обеих полярностей.
Бездрейфовый транзистор– биполярный транзистор, в котором перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством диффузии.
Дрейфовый транзистор– биполярный транзистор, в котором перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством дрейфа.
Точечный транзистор– биполярный транзистор с точечными переходами.
Плоскостной транзистор– биполярный транзистор с плоскостными переходами.
Лавинный транзистор– биполярный транзистор, действие которого основано на использовании режима лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе.
Полевой транзистор– полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем.
Примечание. Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности.
Полевой транзистор с изолированным затвором– полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.
Полевой транзистор типа металл-диэлектрик-
Полевой транзистор типа металл-окисел-полупроводник МОП-транзистор– полевой транзистор с изолированным затвором, в котором в качестве изоляционного слоя между каждым металлическим затвором и проводящим каналом используется окисел.
Симметричный транзистор– биполярный или полевой транзистор сохраняющий свои электрические характеристики при взаимной замене в схеме: включения выводов эмиттера или истока и коллектора или стока.
Тиристор– полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
Диодный тиристор– тиристор, имеющий два вывода от анодной и катодной областей полупроводниковой структуры.
Диодный тиристор, не проводящий в обратном направлении– диодный тиристор, который при отрицательном анодном напряжении не переключается, а находится в обратном непроводящем состоянии.
Диодный тиристор, проводящий в обратном направлении– диодный тиристор, который при отрицательном анодном напряжения не переключается, а проводит большие токи при напряжениях, сравнимых по значению с прямым напряжением в открытом состоянии.
Симметричный диодный тиристор– диодный тиристор, способный переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях.
Триодный тиристор– тиристор, имеющий два вывода от анодной и катодной областей полупроводниковой структуры и один вывод от управляющей.
Триодный тиристор, не проводящий в обратном направлении– триодный тиристор, который при отрицательном анодном напряжении не переключается, а находится в обратном непроводящем состоянии.
Примечание. Для триодных тиристоров, не проводящих в обратном направлении, допускается применять термин «тиристор», если исключается возможность другого толкования.
Триодный тиристор, проводящий в обратном направлении– триодный тиристор, который при отрицательном анодном напряжении не переключается, а проводит большие токи при напряжениях, сравнимых по значению с прямим напряжением в открытом состоянии.
Симметричный триодный тиристор– триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.
Запираемый тиристор– тиристор, который может быть переключен из открытого состояния в закрытое и наоборот при подаче на управляющий электрод управляющих сигналов соответствующей полярности.
Тиристор с инжектирующим управляющим электродом p-типа– тиристор, у которого вывод управляющего электрода соединен с p-областью, ближайшей к катоду, который переводится в открытое состояние при подаче на управляющий электрод положительного, по отношению к катоду сигнала.
Тиристор с инжектирующим управляющим электродом n-типа– тиристор, у которого вывод управляющего электрода соединен с n-областью, ближайшей к аноду, который переводится в открытое состояние при подаче на управляющий электрод отрицательного по отношению к аноду сигнала.
Лавинный триодный тиристор, непроводящий в обратном направлении– тиристор с заданными характеристиками в точке минимального напряжения пробоя, предназначенный для рассеивания в течение ограниченной длительности импульса мощности в области пробоя вольтамперной характеристики обратного непроводящего состояния.
Комбинированно-выключаемый тиристор– тиристор, выключаемый с помощью тока управления при одновременном воздействии обратного анодного напряжения.
Импульсный тиристор– тиристор, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.
Оптоэлектронный полупроводниковый прибор– полупроводниковый прибор, излучающий или преобразующий когерентное или некогерентное электромагнитное излучение или чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной и (или) ультрафиолетовой областях спектра, или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.
