«Электровакуумные и полупроводниковые приборы».

Цель: изучить назначение, устройство и принцип работы полупроводниковых приборов. Изу-чить характеристику работы диода, виды, особенности применения. Задачи: Образовательная: Изучить назначение, устройство и принцип работы полупроводниковых приборов. Изучить характеристику работы диода, виды, особенности применения. Произвести сравнительный анализ вольтамперных характеристик диодов. Развивающая: Развитие технологического мышления, навыков самостоятельной работы, уме-ния анализировать полученные результаты. Воспитательная: Организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов её достижения, опреде-лённых руководителем; Анализировать рабочую ситуацию, осуществлять текущий и итоговый кон-троль, оценку и коррекцию собственной деятельности, нести ответственность за результат своей рабо-ты; Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельно-сти; Новый материал: Стабилитрон (диод Зенкера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника пита-ния на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентиро-ванное напряжение пробоя (при обратном включении). В основе работы стабилитрона лежат два механизма: Лавинный пробой p-n перехода — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, до-статочную для ударной ионизации атомов или молекул материала. Туннельный пробой p-n перехода– это электрический пробой p-n-перехода, вызванный тун-нельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Несмотря на схожие результаты действия, эти механизмы различны, хотя и присутствуют в лю-бом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой. Виды стабилитронов: прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, двусторон-ние — обеспечивают стабилизацию и ограничение двух полярных напряжений, быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса Параметры Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношени-ем относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот. Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность. Минимально допустимый ток стабилизации - минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации. Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Достоинства:  В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить прямое падение напряжения до 0,2—0,4 вольт.  Благодаря лучшим временным характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрями-тели на диодах Шоттки отличаются пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры. Недостатки:  При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.  диоды Шоттки характеризуются повышенными обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Применение:  Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых при-боров:  Использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпря-мители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое из-лучение при пропускании через него электрического тока. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). История Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс. В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода. Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапа-зоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. Преимущества • Высокая световая отдача. • Высокая механическая прочность, вибростойкость. • Длительный срок службы - от 30000 до 100000 часов. • Спектр современных светодиодов бывает различным - от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К. • Малая инерционность - включаются сразу на полную яркость. • Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов. • Различный угол излучения - от 15 до 180 градусов. • Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж. • Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия. • Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие темпера-туры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам. • Экологичность - отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп. Применение светодиодов • В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч.светодиодная лента) • В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов. • Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. • Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах • В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.) • В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и проч. • В светодиодных дорожных знаках Как работает транзистор Чрезвычайно важными являются полупроводники в транзисторах. Транзисторы - полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами. Главным элементом транзистора является полупроводниковый кристалл, например германий, с введенными в него донорными и акцепторными примесями. Примеси распределены так, что между полупроводниками с одинаковой примесью (их называют эмиттер и коллектор) остается тонкий слой германия с примесью другого типа - этот слой называют базой. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p-транзисторы (рис. а) и n-p-n-транзисторы (рис. б). В транзисторе p-n-p-типа в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов, а в ба-зе больше электронов; в транзисторе n-p-n-типа в эмиттере и коллекторе электронов больше, чем ды-рок, а в базе больше электронов. Рассмотри работу транзистора p-n-p -типа. Три вывода транзистора из участков с различными типами проводимости включают в круг так, как показано на рисунке. Если потенциал базы p-n-p-транзистора выше потенциала эмиттера, то ток не протекает через транзи-стор. Следовательно, транзистор может работать как электронный ключ. Если же потенциал базы ни-же потенциала эмиттера, то даже незначительные изменения напряжения между эмиттером и базой приводят к значительным изменениям силы тока в цепи коллектора и, соответственно, к изменению напряжения на резисторе значительного сопротивления. Рассмотрев работу транзистора, делаем вывод, что с помощью транзистора можно усиливать электри-ческие сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом очень многих полупроводниковых приборов. 3. Применение полупроводников Зависимость электропроводности полупроводников от температуры дает возможность применять их в термісторах. Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существенно изменяется при повышении температуры. Термисторы применяют как термометры для измерения температуры. Во многих полупроводниках связь между электронами и атомами настолько незначительный, что до-статочно облучить светом кристаллы, чтобы у них возникла дополнительное количество свободных носителей зарядов. Полупроводниковое устройство, в котором используют свойство проводника изменять свое сопротивление при освещении, называют фоторезистором. Фоторезисторы применяются в системах сигнализации и автоматике, дистанционного управления производственными процессами, сортировка изделий и др. 4. Интегральные микросхемы Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, назы-ваются интегральными микросхемами. Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сан-тиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - кро-шечных диодов, транзисторов, резисторов и др. Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода? 2. Почему база транзистора должна быть очень малым? 3. Какую проводимость может иметь база транзистора? Второй уровень 1. Почему ток в коллекторе примерно равен току в эмиттере? 2. В закрытом ящике размещен полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Как повлияет на работу транзистора увеличение толщины его базы? 2. Известно, что в каждом транзисторе имеется два p-n-переходы, которые включены навстречу друг другу. Можно ли заменить один транзистор двумя включенными точно так же диодами? 2). Учимся решать задачи 1. Начертите схему включения транзистора p-n-p для усиления напряжения. 2. Начертите схему включения транзистора n-p-n для усиления напряжения. 3. Почему для получения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода используют две различные схемы соединения приборов (см. рис. а, б)? Решения. В этом случае нельзя считать сопротивление амперметра бесконечно малым, а сопротивле-ние вольтметра - бесконечно большим. Схему а нельзя использовать для измерения обратного тока че-рез диод (практически весь ток пойдет через вольтметр). Схему нельзя использовать для измерения напряжения прямого тока (напряжение на амперметрі намного превышает напряжение на диоде). ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА ЗАНЯТИИ • Транзистор - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий управлять с помощью слабого входного сигнала электрическим током в электрической цепи. • С помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы. • Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существен-но изменяется в случае повышения температуры. • Полупроводниковое устройство, в котором используют свойство проводника изменять свое сопро-тивление при освещении, называют фоторезистором.Цель: изучить назначение, устройство и принцип работы полупроводниковых приборов. Изу-чить характеристику работы диода, виды, особенности применения. Задачи: Образовательная: Изучить назначение, устройство и принцип работы полупроводниковых приборов. Изучить характеристику работы диода, виды, особенности применения. Произвести сравнительный анализ вольтамперных характеристик диодов. Развивающая: Развитие технологического мышления, навыков самостоятельной работы, уме-ния анализировать полученные результаты. Воспитательная: Организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов её достижения, опреде-лённых руководителем; Анализировать рабочую ситуацию, осуществлять текущий и итоговый кон-троль, оценку и коррекцию собственной деятельности, нести ответственность за результат своей рабо-ты; Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельно-сти; Новый материал: Стабилитрон (диод Зенкера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника пита-ния на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентиро-ванное напряжение пробоя (при обратном включении). В основе работы стабилитрона лежат два механизма: Лавинный пробой p-n перехода — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, до-статочную для ударной ионизации атомов или молекул материала. Туннельный пробой p-n перехода– это электрический пробой p-n-перехода, вызванный тун-нельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Несмотря на схожие результаты действия, эти механизмы различны, хотя и присутствуют в лю-бом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой. Виды стабилитронов: прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, двусторон-ние — обеспечивают стабилизацию и ограничение двух полярных напряжений, быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса Параметры Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношени-ем относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот. Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность. Минимально допустимый ток стабилизации - минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации. Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Достоинства:  В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить прямое падение напряжения до 0,2—0,4 вольт.  Благодаря лучшим временным характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрями-тели на диодах Шоттки отличаются пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры. Недостатки:  При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.  диоды Шоттки характеризуются повышенными обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Применение:  Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых при-боров:  Использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпря-мители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое из-лучение при пропускании через него электрического тока. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). История Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс. В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода. Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапа-зоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. Преимущества • Высокая световая отдача. • Высокая механическая прочность, вибростойкость. • Длительный срок службы - от 30000 до 100000 часов. • Спектр современных светодиодов бывает различным - от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К. • Малая инерционность - включаются сразу на полную яркость. • Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов. • Различный угол излучения - от 15 до 180 градусов. • Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж. • Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия. • Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие темпера-туры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам. • Экологичность - отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп. Применение светодиодов • В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч.светодиодная лента) • В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов. • Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. • Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах • В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.) • В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и проч. • В светодиодных дорожных знаках Как работает транзистор Чрезвычайно важными являются полупроводники в транзисторах. Транзисторы - полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами. Главным элементом транзистора является полупроводниковый кристалл, например германий, с введенными в него донорными и акцепторными примесями. Примеси распределены так, что между полупроводниками с одинаковой примесью (их называют эмиттер и коллектор) остается тонкий слой германия с примесью другого типа - этот слой называют базой. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p-транзисторы (рис. а) и n-p-n-транзисторы (рис. б). В транзисторе p-n-p-типа в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов, а в ба-зе больше электронов; в транзисторе n-p-n-типа в эмиттере и коллекторе электронов больше, чем ды-рок, а в базе больше электронов. Рассмотри работу транзистора p-n-p -типа. Три вывода транзистора из участков с различными типами проводимости включают в круг так, как показано на рисунке. Если потенциал базы p-n-p-транзистора выше потенциала эмиттера, то ток не протекает через транзи-стор. Следовательно, транзистор может работать как электронный ключ. Если же потенциал базы ни-же потенциала эмиттера, то даже незначительные изменения напряжения между эмиттером и базой приводят к значительным изменениям силы тока в цепи коллектора и, соответственно, к изменению напряжения на резисторе значительного сопротивления. Рассмотрев работу транзистора, делаем вывод, что с помощью транзистора можно усиливать электри-ческие сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом очень многих полупроводниковых приборов. 3. Применение полупроводников Зависимость электропроводности полупроводников от температуры дает возможность применять их в термісторах. Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существенно изменяется при повышении температуры. Термисторы применяют как термометры для измерения температуры. Во многих полупроводниках связь между электронами и атомами настолько незначительный, что до-статочно облучить светом кристаллы, чтобы у них возникла дополнительное количество свободных носителей зарядов. Полупроводниковое устройство, в котором используют свойство проводника изменять свое сопротивление при освещении, называют фоторезистором. Фоторезисторы применяются в системах сигнализации и автоматике, дистанционного управления производственными процессами, сортировка изделий и др. 4. Интегральные микросхемы Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, назы-ваются интегральными микросхемами. Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сан-тиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - кро-шечных диодов, транзисторов, резисторов и др. Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода? 2. Почему база транзистора должна быть очень малым? 3. Какую проводимость может иметь база транзистора? Второй уровень 1. Почему ток в коллекторе примерно равен току в эмиттере? 2. В закрытом ящике размещен полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Как повлияет на работу транзистора увеличение толщины его базы? 2. Известно, что в каждом транзисторе имеется два p-n-переходы, которые включены навстречу друг другу. Можно ли заменить один транзистор двумя включенными точно так же диодами? 2). Учимся решать задачи 1. Начертите схему включения транзистора p-n-p для усиления напряжения. 2. Начертите схему включения транзистора n-p-n для усиления напряжения. 3. Почему для получения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода используют две различные схемы соединения приборов (см. рис. а, б)? Решения. В этом случае нельзя считать сопротивление амперметра бесконечно малым, а сопротивле-ние вольтметра - бесконечно большим. Схему а нельзя использовать для измерения обратного тока че-рез диод (практически весь ток пойдет через вольтметр). Схему нельзя использовать для измерения напряжения прямого тока (напряжение на амперметрі намного превышает напряжение на диоде). ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА ЗАНЯТИИ • Транзистор - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий управлять с помощью слабого входного сигнала электрическим током в электрической цепи. • С помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы. • Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существен-но изменяется в случае повышения температуры. • Полупроводниковое устройство, в котором используют свойство проводника изменять свое сопро-тивление при освещении, называют фоторезистором.