Тема 2.1. Полупроводниковые приборы
Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.
К полупроводниковым приборам можно отнести:
— стабилитроны или опорные диоды
— биполярные и полевые транзисторы и др.
Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.
Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.
Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.
Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.
Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.
Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.
Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.
Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.
Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.
Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.
Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.
Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.
Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.
Классификация полупроводниковых приборов
На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы :
Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.
Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.
Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.
Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).
Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода
В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.
Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.
С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.
Универсальные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).
Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.
Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды.
Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды
Подробнее о диодах смотрите здесь:
С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.
Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.
— по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.
— по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
— по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.
— по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
— по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.
— по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.
В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:
Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.
В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.
На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.
Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;
Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером
К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.
Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.
В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.
Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.
Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.
МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.
Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.
Подробнее о транзисторах смотрите здесь:
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.
Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.
Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.
Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Полупроводниковые приборы и их применение
Открытия фундаментальных физических законов электромагнетизма в ХIХ веке дали толчок к развитию физической электроники — области физики, в которой исследователи разных стран детально изучили электронные процессы, связанные с перемещением заряженных частиц (электронов и ионов) во всех доступных средах: в различных газах, вакууме, твёрдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках) и в жидкостях.
Техническая электроника — область инженерных знаний, базируясь на полученных фундаментальных знаниях, стала заниматься проектированием (изобретением) и производством электронных приборов и устройств для различных областей человеческой деятельности. Основой современного приборостроения являются полупроводниковые приборы, работа которых основана на удивительных по своему разнообразию свойствах полупроводниковых материалов.
Что такое полупроводник?
Твердые кристаллические тела по способности проводить электрический ток делятся на три вида: металлы, диэлектрики и полупроводники.
Металлы
Эти материалы обладают самыми высокими проводящими свойствами (низким сопротивлением), так как внутри кристаллической решетки всегда присутствует большая концентрация свободных электронов, которые под действием электрического поля мгновенно приходят в движение. Воздействие внешних факторов влияет на проводимость металлов следующим образом:
Примеры металлов, часто используемых в электронике:
Диэлектрики
Рис. Проводники и диэлектрики
Полупроводники
В этих веществах свободные электроны также присутствуют, но в значительно меньшем количестве, чем в металлах, поэтому собственная удельная проводимость σ не очень высокая. Внешние факторы – свет, температура, механическое воздействие, внедрение в чистое вещество специальных примесей (доноров или акцепторов) – резко меняют концентрацию свободных электронов:
Полупроводниковые материалы
Полупроводниковыми свойствами обладают как отдельные представители таблицы Менделеева, так и различные соединения (сплавы) различных веществ:
Что такое полупроводниковые приборы
Полупроводниковыми приборами (ПП) называют широкий спектр твердотельных приборов, действие которых основано на электронных процессах в различных полупроводниках (Si, Ge, GaAs и т.д.). ПП стали интенсивно применяться разработчиками электронных схем с конца 1940-х годов для:
ПП по структурному фактору делятся на два основных вида: дискретные и интегральные. К дискретным относят одноэлементные приборы, предназначенные для выполнения определённой функции в схеме устройства: усиления, выпрямления, стабилизации и т.д. К интегральным ПП относятся интегральные схемы и микропроцессоры, состоящие из большого числа дискретных элементов, расположенных на одной полупроводниковой подложке. Интегральный вариант позволяет электронщикам программировать выполнение различных параметров функционирования ПП, используя одну микросхему.
Различные типы полупроводниковых приборов и их применение
По количеству контактных выводов, которые выходят из корпуса прибора для последующего впаивания в электронную схему, ПП подразделяются на двухконтактные, трёхконтактные, четырёхконтактные и многоконтактные (микросхемы).
Двухконтактные полупроводниковые приборы
На основе полупроводников без p-n переходов изготавливаются резисторы (сопротивления) и солнечные батареи:
Гораздо больше двухконтактных ПП создано на базе физических свойств в p-n переходах:
Рис. Условно-графические обозначения двухконтактных ПП
Трёхконтактные полупроводниковые приборы
Четырёхконтактные полупроводниковые приборы
Рис. Условно-графическое изображение транзисторов
Заключение
До открытия полупроводниковых материалов базовыми элементами электроники были газоразрядные и электронно-вакуумные лампы, главные недостатки которых: большое энергопотребление, значительный вес и габариты, при слабой механической прочности из-за использования стекла.
Внедрение ПП позволило совершить техническую революцию — перейти к массовому производству малогабаритных устройств военного, производственного, бытового, медицинского применения. Создание микрокомпьютерной техники и мобильной телефонной связи было бы невозможно без появления ПП.
Классификация полупроводниковых приборов.
Полупроводниковыми приборами называются приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств pn-переходов.
1. Полупроводниковые резисторы
2. Полупроводниковые диоды
3. Биполярные транзисторы
4. Полевые транзисторы
6. Полупроводниковые фотоэлектрические приборы.
7. Полупроводниковые микросхемы.
8. Комбинированные полупроводниковые приборы.
Полупроводниковые резисторы
1. Линейные резисторы
3. Терморезисторы (термисторы и позисторы)
Линейные резисторы
Используются в интегральных микросхемах.
Варисторы
Один из основных параметров варистора коэффициент нелинейности. 
, где U I Напряжения и ток варистора. Коэффициент нелинейности для различных типов варисторов лежит в пределах 2-6.
Терморезисторы (термисторы и позисторы)
Тензорезисторы
Основными параметрами является номинальное сопротивление R= 100-500 Ом и коэффициент тензочувствительности 
Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с одним pn-переходом. По конструкции классифицируются как плоскостные и точечные.
К точечным диодам относятся:
К плоскостным диодам относятся:
3. Туннельные диоды
4. Обращенные диоды
Выпрямительные диоды.
Это диоды предназначенные для выпрямления переменного тока. По мощности подразделяютя на маломощные, средней и большой мощности. Вольтамперная характеристика аналогична характеристике pn-перехода. Основные параметры:
— прямое напряжение, которое нормируется при определенном прямом токе.
— максимально допустимый прямой ток
— максимально допустимое обратное напряжение
— обратный ток, который нормируется при определенном обратном напряжении.
Для повышения обратного напряжения диоды включаются последовательно. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу. В диодных сборках используется параллельное, последовательное, мостовое и другие способы включения диодов.
Стабилитроны
При увеличении Iн Iс уменьшается, а напряжение остается постоянным за счет характеристики стабилитрона. Основными параметрами стабилитрона являются:
1. Напряжение на участке стабилизации Uст
2. Динамическое сопротивление на участке стабилизации 
3. Минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации.
Туннельный диод.
Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника. Из-за высокой концентрации примесей и малой ширины pn-перехода в области перехода появляются так называемые потенциальные ловушки, что приводит к образованию на вольтамперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением (т.е. при увеличении напряжения ток уменьшается).
Основными параметрами являются:
2. Отношение тока пика к току впадины 
Обращенные диоды
— Разновидность туннельных диодов. Электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обладают вентильными свойствами при малых напряжениях в той области, где выпрямительные диоды вентильными свойствами не обладают. Туннельные диоды применяются в генераторах высокочастотных колебаний и в импульсных переключателях.
Варикап
Полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости pn-перехода от обратного напряжения. Варикап применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Используется в схемах управления, для автоматической подстройки частоты.
Общая емкость при небольшом обратном напряжении Uобр=2-5В и коэффициент перекрытия по емкости 
. Для большинства варикапов С=10-500 пФ и К=5-20.
Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.
1. низкочастотные f 300 Мгц
1. малой мощности Рmax 1.5 Bт
В биполярных транзисторах ток определяется носителями зарядов двух типов: электронов и дырок (отсюда и название биполярный) Транзистор имеет три вывода которые называют база, эмиттер, коллектор. В зависимости от проводимости транзисторы подразделяют на транзисторы прямой проводимости p-n-p и транзисторы обратной проводимости n-p-n. В зависимости от полярности прикладываемых напряжений транзистор может работать в одном из трех режимов:
1. Режим отсечки. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором обратные.
2. Режим насыщения. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором прямые.
3. Активный режим. Напряжение между эмиттером и базой прямое, а между эмиттером и коллектором обратное.
Рассмотрим работу транзистора в активном режиме.
Схемы включения транзистора.
Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 4814 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Классификация и обозначения полупроводниковых приборов
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Классификация и обозначения полупроводниковых приборов
Выполнено: Тепликов И.
Сенюков Е.
Описание слайда:
Введение
При использовании полупроводниковых приборов в электронных устройствах для унификации их обозначения и стандартизации параметров используются системы условных обозначений. Эта система классифицирует полупроводниковые приборы по их назначению, основным физическим и электрическим параметрам, конструктивно-технологическим свойствам, виду полупроводниковых материалов. Система условных обозначений отечественных полупроводниковых приборов базируется на государственных и отраслевых стандартах. Первый ГОСТ на систему обозначений полупроводниковых приборов ГОСТ 10862-64 был введен в 1964 году. Затем по мере возникновения новых классификационных групп приборов был изменен на ГОСТ 10862-72, а затем на отраслевой стандарт ОСТ 11.336.038-77 и ОСТ 11.336.919-81 соответственно в 1972, 1977, 1981 годах. При этой модификации основные элементы цифробуквенного кода системы условных обозначений сохранились. Эта система обозначений логически строена и позволяет наращивать по мере дальнейшего развития элементной базы.
Основные термины, определения и буквенные обозначения основных и справочных параметров полупроводниковых приборов приведены в следующих гостах:
25529-82 – Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров;
19095-73 – Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров;
20003-74 – Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров;
20332-84 – Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
Описание слайда:
Условные обозначения и классификация отечественных полупроводниковых приборов
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, который состоит из 5 элементов…
Описание слайда:
Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого создан полупроводниковый прибор. Для приборов общегражданского применения используются буквы, являющиеся начальными буквами в названии полупроводника или полупроводникового соединения. Для приборов специального применения вместо этих букв используются цифры.
Исходный материал Условные обозначения
Германий или его соединения Г или 1
Кремний или его соединения К или 2
Соединения галлия (например, арсенид галлия) А или 3
Соединения индия (например, фосфид индия) И или 4
Описание слайда:
Второй элемент- подкласс полупроводниковых приборов. Обычно буква выбирается из названия прибора, как первая буква названия
Описание слайда:
Описание слайда:
Четвертый элемент (2 либо 3 цифры) означает порядковый номер технологической разработки и изменяется от 01 до 999.
Описание слайда:
Пятый элемент (буква) в буквенно-цифровом коде системы условных обозначений указывает разбраковку по отдельным параметрам приборов, изготовленных в единой технологии. Для обозначения используются заглавные буквы русского алфавита от А до Я, кроме З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Я, схожих по написанию с цифрами.
Описание слайда:
Условные обозначения и классификация зарубежных полупроводниковых приборов
За рубежом существуют различные системы обозначений полупроводниковых приборов. Наиболее распространенной является система обозначений JEDEC, принятая объединенным техническим советом по электронным приборам США. По этой системе приборы обозначаются индексом (кодом, маркировкой), в котором первая цифра соответствует числу p-n переходов: 1 – диод, 2 – транзистор, 3 – тетрод (тиристор). За цифрой следует буква N и серийный номер, который регистрируется ассоциацией предприятий электронной промышленности (EIA). За номером могут стоять одна или несколько букв, указывающих на разбивку приборов одного типа на типономиналы по различным параметрам или характеристикам. Однако цифры серийного номера не определяют тип исходного материала, частотный диапазон, мощность рассеяния или область применения.
В Европе используется система, по которой обозначения полупроводниковым приборам присваиваются организацией Association International Pro Electron. По этой системе приборы для бытовой аппаратуры широкого применения обозначаются двумя буквами и тремя цифрами. Так, у приборов широкого применения после двух букв стоит трехзначный порядковый номер от 100 до 999. У приборов, применяемых в промышленной и специальной аппаратуре, третий знак – буква (буквы используются в обратном алфавитном порядке: Z, Y, X и т.д.), за которой следует порядковый номер от 10 до 99.
Описание слайда:
В системе Pro Electron приняты следующие условные обозначения:
Описание слайда:
Первый элемент.
Первый элемент (буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого создан полупроводниковый прибор. Используются 4 латинские буквы A, B, C и D, в соответствии с видом полупроводника или полупроводникового соединения.
Описание слайда:
Описание слайда:
стандарт JIS-C-7012
Система стандартных обозначений, разработанная в Японии (стандарт JIS-C-7012, принятый ассоциацией EIAJ-Electronic Industries Association of Japan) позволяет определить класс полупроводникового прибора (диод или транзистор), его назначение, тип проводимости полупроводника. Вид полупроводникового материала в японской системе не отражается.
Условное обозначение полупроводниковых приборов по стандарту JIS-C-7012 состоит из пяти элементов.
Первый элемент. Первый элемент (цифра) обозначает тип полупроводникового прибора. Используются 3 цифры (0, 1, 2 и 3) в соответствии с типом прибора.
Второй элемент. Второй элемент обозначается буквой S и указывает на то, что данный прибор является полупроводниковым. Буква S используется как начальная буква от слова Semiconductor.
Третий элемент. Третий элемент (буква) обозначает подкласс полупроводниковых приборов. Ниже в таблице приведены буквы, используемые для обозначения подклассов
Четвертый элемент. Четвертый элемент обозначает регистрационный номер технологической разработки и начинается с числа 11.
Пятый элемент. Пятый элемент отражает модификацию разработки (А и В – первая и вторая модификация).
Описание слайда:
Описание слайда:
Графические обозначения и стандарты
В технической документации и специальной литературе применяются условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730-73 «Обозначения условные, графические в схемах. Приборы полупроводниковые».
Описание слайда:
Диод выпрямительный, столб выпрямительный