Полупроводники. Диоды и стабилитроны

1.

Полупроводники.
Диоды и стабилитроны

2.

Содержание лекции
1. Проводники, полупроводники и диэлектрики.
2. Примесные полупроводники n и p-типа.
3. p-n переход, диод.
4. Типы диодов.
5. ВАХ диодов.
6. Основные параметры диодов.
7. Сравнение Ge и Si диодов.
8. Линейная модель диода.
9. Стабилитроны.
10. Пример построения ВАХ различных диодов.
11. Контрольные вопросы.
12. Задания.

3.

Электропроводность материалов
Все вещества по способности
электрический ток делятся на:
- проводники
- полупроводники
- изоляторы
пропускать

4.

Строение атома

5.

Валентные электроны
Электроны на последней орбите, которые
определяют в основном электрические
свойства элементов, известны как валентные
электроны.
Рассмотрим, как электрическое свойство
определяется числом валентных электронов в
самой внешней оболочке.

6.

Проводники
Все металлические вещества являются хорошим проводником
электричества. Если мы обратим внимание на электронную
конфигурацию любого металлического элемента, мы
обнаружим, что он имеет менее 4 электронов в своей
внешней оболочке, что означает, что он имеет менее четырех
валентных электронов.

7.

Полупроводники
Когда число валентных электронов в элементе равно 4, свойства
таких элементов и материалов находятся между
металлическими и неметаллическими.
Элементы или материалы не могут проводить электрический ток
так же эффективно, как проводник, и в то же время они не
могут блокировать протекание тока через них. Эти элементы
или материалы называются полупроводниками.
Углерод, кремний и германий, селен, теллур являются
полупроводниковыми элементами, и они имеют ровно четыре
валентных электрона в своих атомах.

8.

Диэлектрики
Когда число валентных электронов в атоме больше четырех,
элемент ведет себя как неметаллический. Неметалл - плохой
проводник электричества. Эти элементы и материалы,
изготовленные из этих элементов, называются
изоляционными или изоляционными материалами. Три
известных примера изолятора - это азот, сера и неон.

9.

Таблица Менделеева

10.

Полупроводники
Все вещества по отношению к электрическому
току делятся на:
- проводники
- полупроводники
- изоляторы

11.

Полупроводники
Полупроводниками являются химические
элементы кремний (Si), германий (Ge), селен (Se),
Теллур (Те) и некоторые химические соединения.
При
низких
температурах
чистые
полупроводники не проводят электрического тока,
т.к. в них нет свободных зарядов.
Кремний и германий имеют на внешней
электронной оболочке по 4 электрона. В кристалле
каждый из этих электронов принадлежит двум
соседним атомам, образуя т.н. ковалентную связь.
Эти электроны участвуют в тепловом
движении, но остаются на своих местах в
кристалле.

12.

Структура кристаллической решетки кремния
При повышении температуры некоторые
электроны покидают свои места в кристалле.

13.

Образование и движение электронов и дырок
Когда электрон уходит со своего места в кристалле, он
становится свободной частицей и движется в кристалле
хаотически. Оставленное электроном место называют
«дыркой».
На место дырки приходит валентный электрон,
расположенный поблизости, при этом образуется новая дырка.
На место этой новой дырки также приходит электрон, и т.д.
Таким образом, дырка перемещается по кристаллу
полупроводника также хаотически.
При приложении к кристаллу внешнего электрического
поля движение свободных электронов и дырок происходит под
его воздействием: электроны движутся к плюсу, а дырки – к
минусу. При этом дырка ведёт себя
как частица, заряженная
положительно.

14.

Примесные полупроводники
Количество электронов и дырок в чистом
полупроводнике невелико, и поэтому ток в нём очень
слабый. Для увеличения количества свободных заряженных
частиц в полупроводник внедряются примеси. При этом
используется технология, позволяющая атомам примеси
замещать атомы кремния или германия в кристаллической
решётке.
Для увеличения количества свободных электронов
к полупроводнику подмешивают некоторое количество
пятивалентного элемента – мышьяка (As). При этом 4
валентных электрона атома мышьяка заполняют
ковалентные связи, а пятый электрон остаётся свободным.
При наличии электрического поля он перемещается в
сторону плюса. Если атомов примеси достаточно, то в
кристалле протекает значительный ток.

15.

Внедрение атомов мышьяка
в кристаллическую структуру кремния
с образованием свободных электронов

16.

Примесь,
которая
образует
свободные
электроны, называется донорной, а полупроводник с
такой примесью называется полупроводником n-типа
(от слова negative – отрицательный).
Для получения полупроводника с дырочной
проводимостью в него внедряют элемент с тремя
электронами на внешней оболочке, например, индий
(In), электроны которого могут заполнить только 3
ковалентные связи из 4. В результате около атома
индия образуется дырка, а в полупроводнике –
дырочная проводимость.
Такая примесь называется
акцепторной, а полупроводник – p-типа (от слова
positive – положительный).

17.

Внедрение атомов индия в кристалл кремния с
образованием дырок

18.

p-n переход
Если плотно соединить полупроводники p- и n- типов, то между
ними образуется т.н. p-n переход, обладающий замечательными
свойствами, используемыми при построении различных
полупроводниковых
приборов:
диодов,
стабилитронов,
тиристоров, транзисторов, микросхем.

19.

Диод
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый
прибор с одним p-n-переходом, двумя выводами и обладающий
свойством односторонней проводимости
Структура и УГО диода

20.

Типы диодов
В зависимости от назначения различают шесть основных
типов полупроводниковых диодов:
- выпрямительные,
- высокочастотные,
- импульсные,
- туннельные,
- стабилитроны,
-варикапы;
- светодиоды.

21.

УГО и ВАХ диода
U
T
I (U ) I 0 e 1
k T
T
q
где U - напряжение на p-n-переходе; I0 -обратный (или тепловой)
ток, Т - температурный потенциал электрона; k – постоянная
Больцмана; q – модуль заряда электрона; T – абсолютная
температура (при температуре T=300К температурный
потенциал имеет значение Т =0,026 В, или 26мВ),.

22.

Основные параметры диодов
Статические:
- максимальный прямой ток Iпр.max;
- максимальное обратное напряжение Uобр.max,
- постоянное прямое напряжение UПР,
- дифференциальное сопротивление Rдиф.
Динамические:
- емкость диода СД.
- время восстановления обратного сопротивления tвос.

23.

Теоретическая и реальная ВАХ
U
I I 0 e T 1

24.

Сравнение Ge и Si диодов

25.

Температурная зависимость ВАХ
Кремниевый
Германиевый
С ростом температуры увеличиваются обратный и прямой токи
диода.

26.

Линейная модель диода
I
+
dI
I
RДИФ
U
VD
e0
dU
e0
U
а)
б)
Дифференциальное сопротивление диода:
dU
R ДИФ
dI

27.

Динамические свойства диодов
tвос – время восстановления обратного сопротивления

28.

Стабилитроны
Стабилитрон – полупроводниковый диод, который имеет
участок стабилизации напряжения на обратной ветви ВАХ.
УГО и ВАХ стабилитрона

29.

Стабилитроны
Основные параметры стабилитрона:
- номинальное напряжение стабилизации Uст.ном;
- минимальный ток стабилизации Icт.min;
- максимальный ток стабилизации Iст.max;
- максимальная рассеиваемая мощность Pст.max;
- дифференциальное сопротивление:
dU
R ДИФ
dI

30.

Пример построения ВАХ
1. Снять и построить ВАХ кремниевого выпрямительного диода
1N4001.
2. Снять и построить ВАХ диода Шотки 1N5817.
3. Снять и построить ВАХ стабилитрона.
4. Снять и построить ВАХ красного светодиода.
5. Снять и построить ВАХ синего светодиода.
Рекомендации: измерения напряжения на исследуемом диоде
выполнить при следующих значениях тока:
0,1; 0,5; 1; 5; 10; 20; и 50 мА.

31.

Схемы в Multisim

32.

Результаты исследований

33.

Результаты исследований
60
Ток, мА
40
20
1N4001
1N5817
0
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
ZPD4.7
RED
-20
-40
-60 Напряжение, мВ
BLUE

34.

Контрольные вопросы
1. Собственная и примесная проводимости полупроводников.
2. Что такое полупроводниковый диод?
3. В чем заключается основное свойство выпрямительного
диода?
4. Типы полупроводниковых диодов.
5. Вид ВАХ диода.
6. В чем отличие идеальной ВАХ полупроводникового диода от
реальной?
7. Сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диодов.
8. Влияние температуры на ВАХ диода.
9. Приведите основные статические параметры диода.

35.

Задания
1. В программе Multisim выполнить измерения для построения
ВАХ кремниевого диода 1N4007. Заполнить таблицу.
2. В программе Excel построить график ВАХ.

36.

Ссылки
1. Видеолекция по данной презентации.
https://www.youtube.com/watch?v=Vp780XdKHZU
2. Принцип работы диода.
https://www.youtube.com/watch?v=KsEJyUKLYvg
3. Зачем нужны разные диоды | Диод Шоттки | Диодный мост |
Стабилитрон | Диод Шоттки | Варикап
https://www.youtube.com/watch?v=lt3GQQOdyLg