Презентация по теме: «Полупроводниковые диоды» Выполнили: Бармин Р.А. Гельзин И.Е. Полупроводниковый диод – это нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. Мы рассмотрим следующие типы диодов: выпрямительные диоды на основе p-n перехода стабилитроны варикапы, туннельные и обращенные диоды. J J s (e VG 1) Выпрямительный диод на основе p-n перехода Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно дырочный переход, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю. Рис. Параметры полупроводникового диода: а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса ВАХ описывается уравнением J J s (e VG 1) Выпрямление в диоде Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде. - Коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода. Характеристическое сопротивление Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD. Дифференциальное сопротивление определяется как Сопротивление по постоянному току RD U I U I 0 (e U 1) На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD < rD. Стабилитроны Стабилитрон - это полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф 250 Ом. Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p-n перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: Uстаб > 8 В. Варикапы Варикап - полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др. При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь nобласти, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется. Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+-n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольтамперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. В полупроводнике n+-типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p+-типа – дырками. Зонная диаграмма p+-n+ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками: Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p+ – более сильнолегированная область). Тогда ширина p+-n+ перехода мала: 2 s 0 2 0 W 2 s 0 E g qN D 2 1 10 qN D 12 1.6 10 19 1 6 ~ 10 ñì ~ 100 Å Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений: E 2 2 2 2m 2 kT ; 2 mkT h 2 1 h 2 mkT 2 9,1 10 31 1, 38 10 6, 3 10 34 23 300 ~ 140 Å Таким образом, геометрическая ширина p+-n+ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+-n+ переходе можно ожидать проявления квантовомеханических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля. Обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольтамперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне. Вольт-амперная характеристика германиевого обращенного диода а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах
Полупроводниковый диод – это нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными.
Выпрямительный диод на основе p-n перехода Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно дырочный переход, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю. Рис. Параметры полупроводникового диода: а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса ВАХ описывается уравнением
Выпрямление в диоде Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде. - Коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода.
Характеристическое сопротивление Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD. Дифференциальное сопротивление определяется как Сопротивление по постоянному току На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD
rD, а на обратном участке – меньше RD
Стабилитроны Стабилитрон - это полупроводниковый диод, вольт амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф 2 50 Ом.
Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p n перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб 8 В.
Варикапы Варикап полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др. При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n- области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.
В полупроводнике n+ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p+ типа – дырками. Зонная диаграмма p+ n+ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками: Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p n перехода (p+ – более сильнолегированная область). Тогда ширина p+ n+ перехода мала: Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:
Таким образом, геометрическая ширина p+ n+ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+ n+ переходе можно ожидать проявления квантово- механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля. Обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт- амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ диапазоне. Вольт амперная характеристика германиевого обращенного диода а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах
Стабилитроны и стабисторы Стабилитронами и стабисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. Работа стабисторов основана на использовании слабой зависимости прямой ветви ВАХ диода то тока, протекающего через него. ВАХ стабилитрона в прямом направлении практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения. УГО стабилитрона.
Основные параметры стабилитрона Основные параметры стабилитрона: номинальное напряжение стабилизации U ст.nom - падение напряжения на диоде при номинальном токе стабилизации I ст.nom ; допустимое отклонение напряжения стабилитрона от номинального значения U ст; минимальный ток стабилизации I ст.min ; максимальный ток стабилизации I ст.max. При превышении начинается тепловой пробой; минимальное напряжение стабилизации U ст.min ; максимальное напряжение стабилизации U ст.max ; дифференциальное сопротивления стабилитрона r д = (U ст.max - U ст.min) / (I ст.max - I ст.min);
Основные параметры стабилитрона температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKН) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды: TKН = U ст / (U ст.nom *T); максимальная мощность рассеивания P max.
Светодиод Светодиодом называется излучательный полупроводниковый прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световую. При подаче на р–n-переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция основных носителей заряда и их рекомбинация, при которой носители заряда исчезают. У многих полупроводников рекомбинация носит безизлучательный характер - энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке и превращается в тепло. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышьяка (As) и некоторых других материалов, рекомбинация является излучательной энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения фотонов.
Параметры светодиодов Основные параметры: прямое постоянное напряжение U пр при максимально допустимом прямом токе I пр.max ; максимально допустимый прямой ток I пр.max ; яркость свечения В диода при максимально допустимом прямом токе I пр.max ; полная мощность излучения P полн при прямом постоянном токе определенной величины; ширина диаграммы направленности светового излучения.
Характеристики светодиодов Основные характеристики светодиода спектральная и характеристика направленности. Спектральная характеристики определяет зависимость относительной яркости излучения от длины излучаемой волны при определенной температуре. Характеристика направленности определяет значение относительной интенсивности светового излучения в зависимости от направленности излучения.
Фотодиод Фотодиод представляет собой фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру p-n-перехода. При освещении p-n-перехода фотодиода, включенного в обратном направлении, увеличивается дополнительное число электронов и дырок. Возрастает количество неосновных носителей заряда, которые проходят через переход. Это приводит к увеличению тока в цепи. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника – вентильным. В большинстве случаев диод включают в обратном направлении.
Основные характеристики фотодиода Вольт-амперная характеристика I д = f (U) при Ф = const определяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при постоянной величине светового потока. При полном затемнении (Ф = 0) через фотодиод протекает темновой ток I тм. С ростом светового потока ток фотодиода увеличивается. Световая характеристика изображает зависимость тока фотодиода от величины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде: I д = f(Ф) при U д = const. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. Спектральная характеристика показывает зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего на фотодиод света.
Основные параметры фотодиода Основные параметры фотодиодов: интегральная чувствительность К отношение фототока диода к интенсивности падающего светового потока от стандартного источника (вольфрамовая лампа накаливания с цветовой температурой нити 2854 К); рабочее напряжение U p напряжение, прикладываемое к прибору в фотодиодном режиме. темповой ток I гм ток, протекающий в цепи диода при рабочем напряжении и отсутствии освещения. долговечность Т Д минимальный срок службы при нормальных условиях эксплуатации.
Применение фотодиодов Основные применения: устройства ввода и вывода ЭВМ; фотометрия; контроль источников света; измерение интенсивности освещения, прозрачности среды; автоматическое регулирование и контроль температуры и других параметров, изменение которых сопровождается изменением оптических свойств вещества или среды.
Диод Шотки Диод Шоттки это полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл - полупроводник. Рассмотрим работу контакта металл - полупроводник. Процессы при таком контакте зависят от работы выхода электронов. то есть от той энергии, которую электрон должен затратить, чтобы выйти из металла или полупроводника. Пусть А м
Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > А n. "> А n."> " title="Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > "> title="Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > ">
Диод Шотки Электроны покидают полупроводник и в приграничном слое образуется область, обедненная основными носителями заряда и поэтому имеющая большое сопротивление. Создается потенциальный барьер, высота которого существенно зависит от полярности проложенного напряжения. Этот переход обладает выпрямляющими свойствами. Этот переход исследовал немецкий ученый Вальтер Шотки и он назван в его честь. Диоды на основе этого перехода имеет следующие преимущества в сравнении с диодами на p-n-переходе: высокое быстродействие, поскольку в металле, куда приходят электроны из полупроводника, отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей; малое значение прямого падения напряжения (около 0.2 – 0.4В), что объясняется незначительным сопротивлением контакта металл-полупроводник.
Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint
на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:
РАЗДЕЛ 1. Полупроводниковые приборы Тема: Полупроводниковые диодыАвтор: Баженова Лариса Михайловна, преподаватель ГБПОУ Иркутской области «Ангарский политехнический техникум», 2014 г.
Содержание1. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов1.1. Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов1.2. Конструкция полупроводниковых диодов1.3. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов2. Выпрямительные диоды2.1. Общая характеристика выпрямительных диодов2.2. Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей
1.1. Классификация диодовПолупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя внешними выводами.
1.1. Маркировка диодовМатериал полупроводникаТип диодаГруппа по параметрамМодификация в группеКС156АГД507БАД487ВГ (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.Д – выпрямительные, ВЧ иимпульсные диоды;А – диоды СВЧ;C – стабилитроны;В – варикапы;И – туннельные диоды;Ф – фотодиоды;Л – светодиоды;Ц – выпрямительные столбы и блоки.по группам:Первая цифра для «Д»:1 – Iпр < 0,3 A2 – Iпр = 0,3 A…10A3 – Iпр > 0,3 A
1.1. Условное графическое изображение диодов (УГО)а) Выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки
1.2. Конструкция полупроводниковых диодовНа базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскостиВывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом 1) Плоскостной диодКристалл полупроводникаМеталлическая пластинкаОсновой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой
1.2. Конструкция полупроводниковых диодов 2) Точечный диодК базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область Получается p-n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).Микросплавные диоды получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.
1.3. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодовВольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы.
1.3. Основные параметры диодов Максимально допустимый прямой ток Iпр.max. Прямое падение напряжения на диоде при макс. прямом токе Uпр.max. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max = ⅔ ∙ Uэл.проб. Обратный ток при макс. допустимом обратном напряжении Iобр.max. Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях Rст.пр.=Uпр./ Iпр.; Rст.обр.=Uобр./ Iобр. Прямое и обратное динамическое сопротивление диода. Rд.пр.=∆ Uпр./ ∆ Iпр
2. Выпрямительные диоды2.1. Общая характеристика. Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые диоды или кремниевые. Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов. Добавочные сопротивления Rд (1-50 Ом) для выравнивания токов в ветвях).Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое Uобр. диода, то в этом случае допускается последова-тельное включение диодов.
2.2. Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей 1) Однополупериодный выпрямительЕсли взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.
2) Двухполупериодный выпрямитель Мостовая схема
3) Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку (вывод отсередины вторичной обмотки), то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах, включенных параллельно. Недостатками этого выпрямителя являются: Необходимость применения трансформатора со средней точкой; Повышенные требования к диодам по обратному напряжению..
Задание: Определить, сколько одиночных диодов в схеме и сколько диодных мостов.
Задания1. Расшифруйте названия полупроводниковых приборов:1 вариант: 2С733А, КВ102А, АЛ306Д2 вариант: КС405А, 3Л102А, ГД107Б З вариант: КУ202Г, КД202К, КС211Б 4 вариант: 2Д504А, КВ107Г, 1А304Б5 вариант: АЛ102А; 2В117А; КВ123А2. Показать путь тока на схеме:1,3,5 вар.: На верхнем зажиме«плюс» источника.2,4 вар.: На верхнем зажиме «минус» источника.
Приложенные файлы
Разделы: Физика , Конкурс «Презентация к уроку»
Презентация к уроку
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Урок в 10-м классе.
Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».
Цели:
- образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
- развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, познавательную активность;
- воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.
Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.
Ход урока
I. Организационный момент.
II. Изучение нового материала.
Слайд 1.
Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Слайд 3.
Механизм проводимости у полупроводников
Слайд 4.
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)
При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.
Слайд 7.
2) дырочная (проводимость " p" – типа)
При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.
Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.
Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.
Полупроводники при наличии примесей
У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.
Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.
Существуют:
Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.
Например – мышьяк.
Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.
Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.
Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.
Слайд 13-16.
Электрические свойства "p-n" перехода
"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
Пропускной режим р-n перехода:
При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.
Запирающий режим р-n перехода :
Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковые диоды
Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.
– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!
Слайд 17–21.
При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.
Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.
Слайд 22–25.
Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.
В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).
При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.
Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).
Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.
Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.
Слайд 26–29.
III. Первичное закрепление.
- Какие вещества называются полупроводниками?
- Какую проводимость называют электронной?
- Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
- О каких примесях теперь вам известно?
- В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
- В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
- Какие полупроводниковые приборы вам известны?
- Где и для чего используют полупроводниковые приборы?
IV. Закрепление изученного
- Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
- Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).