Какой полупроводниковый прибор имеет отрицательное сопротивление?

Содержание

Как устроен туннельный диод?

Туннельный диод – особый тип диодов, параметры которого, отличаются по своим характеристикам и строению от других разновидностей диодов. Эти радиодетали так называются потому что их работоспособность объясняется наличием туннельного эффекта. Это выражается в особом квантовом явлении. Электроны внутри него неким образом смещается проходя через p-n-p переход. Этот эффект используется в радиоэлектронике и различных устройствах радиотехнике.

Потенциал, требуемый для создания туннельного эффекта, не отличается большой мощностью. Также такие диоды имеют небольшое сопротивление и не мешают движению тока в электроцепи. Подробнее о туннельных диодах читатель узнает далее, в качестве дополнительных материалов предложены интересные видеоролики и дополнительный материал по данной теме в конце статьи.

Отрицательное сопротивление

Согласно закону Ома классическая зависимость силы тока и напряжения носит прямо пропорциональный характер – чем выше прикладываемая к нагрузке разность потенциалов, тем больше сила тока. В туннельных диодах, в очень узком интервале входных напряжений, при увеличении прямого смещения дифференциальное сопротивление диода становится отрицательным, и ток не растёт, а, напротив, падает.

Сила тока уменьшается до некоего минимального значения, зависящего от параметров конкретного радиокомпонента. При дальнейшем повышении напряжения ток снова начинает расти, и вольт-амперная характеристика возвращается к своему обычному виду. Данное изменение силы тока выглядит как импульс, то есть поведение туннельного диода в этот момент напоминает функционирование генератора.

Повторимся, что описанное явление наблюдается в чрезвычайно узком интервале входной разности потенциалов, поэтому рабочие напряжения туннельных диодов не превышают единиц милливольт. Это делает элементы почти идеальными детекторами малых смещений и позволяет использовать их в низковольтной переключающей аппаратуре – всевозможных коммутаторах и так далее. В перечень основных характеристик туннельного диода входят следующие:

  1. пиковый ток и ток впадины;
  2. пиковое напряжение и напряжение впадины;
  3. удельная ёмкость;
  4. резистивная и резонансная частоты.

Именно по этим параметрам подбираются радиокомпоненты для конкретных устройств. Для того чтобы возник туннельный эффект, полупроводник должен быть особым образом подготовлен. Технологически это осуществляется с помощью легирования металлическими примесями. Полупроводник при этом легируется настолько интенсивно, что его собственные свойства почти исчезают. Именно поэтому такие материалы называются вырожденными.

Некоторые учёные называют вырожденные полупроводники полуметаллами – настолько сильны у них металлические свойства. Тем не менее, этого недостаточно для признания их типичными металлами. То есть диод, изготовленный из вырожденных полупроводников, ведёт себя всё-таки, как обычный вентиль, то есть при приложении обратного смещения запирается.

Узкий p-n-переход

Другая особенность туннельного диода состоит в чрезвычайно небольшой толщине p-n-перехода. Узость переходной зоны определяется невысокой концентрацией собственных носителей заряда в полупроводниках. Небольшая толщина p-n-перехода является причиной высокого уровня напряжённости электрического поля, которая и является основным фактором того, что электроны получают достаточно энергии для того, чтобы преодолеть запрещённую энергетическую зону и пройти через p-n-переход в обратном направлении.

Частотные свойства туннельных диодов

Физика вырожденных полупроводников обуславливает отсутствие накопления неосновных носителей заряда в базе диода – они все задействованы в туннелировании. Из-за этого время протекания переходных процессов оказывается ничтожно малым – порядка долей наносекунд. Это даёт широкие возможности использования туннельных диодов в сверхвысокочастотных устройствах, работающих с сигналами частотой до сотен ГГц.

Подробности об устройстве простым языком

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона. Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Параметры туннельных диодов представлены в таблице ниже.

Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи. Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Применение туннельных диодов

На рис. 1, 2 и 3 представлены три различных схемных применения генератора на туннельном диоде. Изображенный на рис.1 ЧМ передатчик очень прост и обеспечивает надежный прием в радиусе 10— 30 м при использовании штыревой антенны и ЧМ приемника средней чувствительности. Ввиду того, что схема модуляции передатчика простейшая, выходной сигнал несколько искажен, и, кроме частотной модуляции, получаемой за счет изменения синхронно с сигналом микрофона собственной частоты генератора, имеется значительная амплитудная модуляция. Сильно увеличивать выходную мощность такого передатчика нельзя, так как он является источником помех. Такой передатчик можно использовать какпереносный радиомикрофон, вызывное или переговорное устройство для малых расстояний.

Изображенный на рис. 3 камертонный генератор звуковой частоты может использоваться, как эталон для настройки музыкальных инструментов или телеграфный зуммер. Генератор может работать и на диодах с меньшими токами максимума. В этом случае должно быть увеличено число витков в катушках, а динамический громкоговоритель включен через усилитель. Для нормального функционирования генератора полное омическое сопротивление (r+ r катушки) должно быть меньше ¦ — Rg ¦, а положение ножек камертона относительно магнитного сердечника тщательно юстировано. Чтобы рабочая точка диода попала на участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, необходим источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением.

Величина этого сопротивления в большинстве случаев колеблется в пределах от нескольких десятков ом до нескольких ом. Если сопротивление, включенное последовательно с туннельным диодом, оказывается больше 2,5Rд, то рабочая точка не может устойчиво находиться на участке с отрицательным сопротивлением. Для питания устройств на туннельных диодах применяется схема, приведенная на рис.4. Величина сопротивления шунта Rш выбирается из условия Rш=(0,2-0,3)Rд Сопротивление R2 предохраняет диод и шунт Rш от повреждений при полном выведении сопротивления R1.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя омическими контактами (омическим называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода. Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (р- или n- типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рисунках 3.1 а, б. Иногда электрический переход образуется между полупроводником р- или n-типа и металлом, такой переход называют контактом металл-полупроводник.

Классифицируют диоды по различным признакам:

  • полупроводниковому материалу: кремниевые, германиевые, из
  • арсенида галлия;
  • по физической природе процессов, обусловливающих их работу:
  • туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.;
  • по назначению: выпрямительные, импульсные, и др.;
  • по технологии изготовления электрического перехода: сплавные
  • диффузионные и др.;
  • по типу электрического перехода: точечные и плоскостные.

Основной является классификация по назначению диода. Точечные диоды имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры, определяющие ее, меньше ширины р-n-перехода. Точечный электрический переход можно создать в месте контакта небольшой пластинки полупроводника 3 и острия металлической проволочки-пружины 4 даже при простом их соприкосновении.

Более надежный точечный электрический переход образуется формовкой контакта, для чего через собранный диод пропускают короткие импульсы тока (порядка нескольких ампер). В результат формовки острие пружинки надежно приваривается к пластинке полупроводника. При этом из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в пластинку полупроводника, образуя слой иного типа, чем полупроводник.

Он представляет собой керамический или стеклянный баллон 2, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи р-n-перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).

Благодаря малой площади р-n-перехода емкость точечных диодов очень незначительна и составляет десятые доли пкФ. Поэтому точечные диоды используют на высоких (порядка сотен МГц) и сверхвысоких частотах. Их применяют в основном для выпрямления переменного тока высокой частоты (выпрямительные диоды высокочастотные) и в импульсных схемах (импульсные диоды) /3/.

Так как площадь р-n-перехода точечною диода мала, то прямой ток через переход должен быть небольшим (от 10 mА до 20 mА) из-за малой мощности (около 20 mВт), рассеиваемой переходом.

Заключение

Более подробно об этом можно узнать, прочитав статью Особенности работы туннельного диода. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

Отрицательное сопротивление, импеданс. Схема. Преобразователь в противоположное. Преобразовать. Туннельный диод.

Понятие отрицательного сопротивления. Схемы с отрицательным сопротивлением. (10+)

Когда изучаешь закон Ома, встает вопрос, почему бы не существовать средам, ток через которые бы уменьшался по мере увеличения напряжения на них. Сначала такое явление, как отрицательное сопротивление, казалось математической абстракцией. Но потом появились электронные детали и интегральные схемы, обладающие отрицательным омическим сопротивлением.

Отрицательное сопротивление интересно тем, что включая такой элемент в электрическую цепь, мы получаем усилитель.

Читайте также:  Какие светодиоды используются в лампах на 220 вольт?

Туннельный диод – прибор с отрицательным сопротивлением

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Полупроводниковым прибором, обладающим отрицательным сопротивлением, является туннельный диод. Туннельный диод обладает отрицательным сопротивлением только в определенном режиме, на определенном участке своей вольт-амперной характеристики. Однако, подав на туннельный диод нужное напряжение, мы получаем нужный режим.

На рисунке приведена типичная схема на туннельном диоде. Вообще туннельный диод уступает практически по всем параметрам интегральным приборам с отрицательным сопротивлением. Во-первых, его характеристика нелинейна. Во-вторых, отрицательное сопротивление проявляется только на ограниченном участке характеристики. Однако у него есть одно преимущество. Он может работать на очень высоких частотах. Некоторые образцы работают на частотах до 10 ГГц.

Так что приведенная схема является практически единственным промышленным применением туннельных диодов. В зависимости от напряжения смещения, которое регулируется резистором R2, схема может быть приемником или передатчиком сигнала. В режиме приемника через C3 снимается сигнал. В режиме передатчика управляющий сигнал подается через C3. Так как характеристика туннельного диода нелинейна, то сигнал, поданный через C3, модулирует колебания в колебательном контуре.

Для работы на частоте 145 МГц катушка L имеет 5 витков, намотанных на полоску текстолита шириной 10 мм. Конденсатор C1 – 5 – 25 пФ. Конденсатор C2 – 0.01 мкФ. Конденсатор C3 – 1 мкФ. Резистор R1 – 33 Ом. Резистор R2 – 500 Ом. Резистор R3 – 100 Ом.

Устройство питается от одной пальчиковой батареи 1.5 В.

Туннельный диод является прибором с отрицательным сопротивлением и N – образной вольт-амперной характеристикой. В электронике применяются также электронные приборы лавинного типа, такие как тиристоры, лавинные диоды и т. д. У этих элементов вольт-амперная характеристика имеет S – тип (напоминает букву S). Отличие в том, что задание рабочей точки приборов N-типа осуществляется подачей нужного напряжения от стабилизатора напряжения или делителя, а приборов S-типа – подачей тока нужной силы от источника стабильного тока. Примеры схем, работающих в режиме отрицательного сопротивления S – типа.

Преобразователь полного сопротивления (импеданса) в противположный

Схема (A) эквивалентна отрицательному сопротивлению, подключенному к общему проводу. Схема (B) имитирует подвешенный отрицательный резистор (не подключенный к общему проводу и шинам питания).

Микросхемы – операционные усилители с высоким входным сопротивлением, например, 544УД1.

Сопротивления резисторов R1, R2, R4, R5 определяются нагрузочной способностью операционного усилителя. Для 544УД1. Эти резисторы по 4 кОм. R3 – тот резистор, который мы превращаем в противоположный. Сопротивление нашей схемы будет минус R3.

Приятная особенность приведенных схем в том, что они не только могут преобразовать сопротивление в противоположное ему (отрицательное). Они могут преобразовать в противоположный любой комплексный импеданс, подключенный вместо R3. Катушку индуктивности можно преобразовать в минус катушку индуктивности, конденсатор в минус конденсатор. Вообще импеданс любой RLC цепь можно преобразовать в противоположный.

Действительно, ток через R1, а во второй схеме еще через R5 равен минус току через R2 (и R4 во второй схеме). Это верно в силу того, что у операционного усилителя напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны. В свою очередь ток через R2 (R4) равен току через R3 или цепочку, которую мы подключим вместо его. То есть сила входного тока пропорциональна минус R3.

Необходимо помнить, что все интересные эффекты в этих электронных схемах имитируются за счет цепей питания, так что напряжения на выводах такой схемы должны быть в интервале между напряжениями на питающих шинах и должны иметь небольшую амплитуду.

По ссылке можно посмотреть статью про гиратором с отрицательным омическим сопротивлением и схемы на его основе.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Как не перепутать плюс и минус? Защита от переполюсовки. Схема.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор.
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка.

Что такое терморезисторы, их конструкция, виды, технические параметры

Соблюдение теплового режима в современных электронных устройствах не менее важно, чем обеспечение параметров электрического тока. Перегрев для полупроводниковых приборов так же губителен, как и резкое увеличение напряжения. Поэтому для контроля температуры термочувствительных электронных приборов применяются электрические схемы с использованием температурных датчиков, таких как терморезистор. Другие названия: термистор, термосопротивление.

Что такое терморезистор?

Обычный резистор обладает относительно стабильным сопротивлением. Разумеется, электрическое сопротивление обычного резистора может меняться при значительном его нагревании (в пределах допусков). Но в штатном режиме показания этих устройств стабильны, чего, собственно, добиваются разработчики.

При изготовлении терморезисторов умышленно подбирают такие материалы, сопротивление которых зависит от температуры. То есть, терморезистор – это полупроводниковый прибор, обладающий зависимостью его сопротивления от температуры. Можно сказать, что путем нагревания или охлаждения таких полупроводниковых устройств можно управлять их сопротивлениями.

Рис. 1. Терморезистор и его изображение на схемах

Температурные зависимости полупроводниковых резисторов широко применяются на практике, о чем речь пойдёт ниже. Заметим только, что термисторы являются, по сути, переменными резисторами, сопротивление которых изменяется не механическим способом, а зависит от степени нагрева и температурных характеристик применяемых полупроводниковых материалов. Причем не важно, прямым или косвенным нагревом произошло изменение температурных показателей.

Конструкция

Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых выводов. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (Схема строения показана на рисунке 2).

В качестве термочувствительного материала используют оксиды металлов. Для защиты конструкции используют стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

Рис. 2. Конструкция простого термистора

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используют медь или платину. Эти материалы обладают высокими показателями ТКС металлов в рабочем диапазоне температур. Однако их применение ограничено по причине дороговизны платины и ее нелинейности преобразования.

Использование медных терморезисторов ограничивается низкой коррозионной сопротивляемостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Применяются для температур не выше 180 ºC.

Еще одним недостатком металлических термосопротивлений является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции мало пригодны для поддержания теплового режима электроприборов, но они идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.

С целью уменьшения тепловой инерционности терморезисторы изготавливают из микропроводов, которые заключают в стеклянную колбочку (см. рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, отличаются стабильностью, а их инерционность не превышает долей секунд.

Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе

Широкое распространение получили типы датчиков на базе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников происходит насыщение этих материалов электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.

Существуют конструкции плоских терморезисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.

Рис. 4. Конструкция плоского терморезистора

Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых применен способ SMT монтажа. Для этих целей промышленность выпускает SMD-терморезисторы разных номиналов (см. рис. 5).

Рис. 5. Терморезисторы для микроэлектроники

В большинстве конструкций терморезистивный элемент изготовляют методом порошковой металлургии. В этих целях используют материалы:

  • халькогениды;
  • оксиды металлов;
  • галогениды и другие.

Очертание резистивных элементов может иметь форму бусинок, стержней, трубочек, пластинок и т. п.

Какую конструкцию вы бы не выбрали, принцип работы остается неизменным – зависимость сопротивления от температуры. Отличаются изделия только параметрами.

Режим работы терморезисторов

В зависимости от конструкторских замыслов, термисторы могут работать в системах с разными температурными режимами. Однако для каждой модели существует своя номинальная шкала температур.

По этому признаку их можно классифицировать следующим образом:

  • терморезисторы низкотемпературного класса (до 170 К);
  • изделия среднетемпературного класса (применяются в диапазоне температур 170 – 510 К);
  • модели высокотемпературного класса (в пределах от 570 К и выше).

В отдельный класс выделены терморезисторы, способные работать при нагревах от 900 до 1300 К. Эти модели используют в качестве датчиков температуры различных нагревательных элементов.

Все термисторы выдерживают существенные токовые нагрузки. Правда, при работе в жестких термоцикличных режимах, их термоэлектрические характеристики, могут изменяться. Со временем изменения коснутся номинального сопротивления и коэффициента сопротивления.

Разновидности

Все терморезисторы классифицируют по типу нагрева: прямой и косвенный. Для прямого подогрева используется ток цепи, в которую включен терморезистор. Косвенный подогрев создают сторонние участки схемы или тепловые элементы.

Пример терморезистора прямого подогрева показан на рис. 6.

Рис. 6. Терморезисторы прямого подогрева

Также, в зависимости от того – повышается или понижается сопротивление при нагревании резистивного элемента, различают термисторы двух видов:с отрицательным ТКС и терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления.

NTC.

Полупроводниковые модели (термисторы) обладают отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. Это значит, что они уменьшают номинальное сопротивление (показания при 25 ºC), в результате нагрева. Температурный коэффициент показывает, на сколько процентов уменьшается сопротивление резистивного элемента при повышении температуры нагрева на 1 ºC.

Термисторы NTC с отрицательным коэффициентом обычно применяются в диапазоне рабочих температур от 25 ºC до 200 ºC. Для температур свыше 600 ºC применяют термопары.

PTC.

Терморезисторы типа PTC обладают положительными температурными коэффициентами. Эти PTC-термисторы часто именуют позисторами, чтобы подчеркнуть положительность температурного коэффициента. Под этим термином мы понимаем терморезистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры.

Технические параметры

Большое разнообразие моделей термосопротивлений продиктовано потребностями современной электронной промышленности. Технические параметры изделий полупроводникового типа позволяют полностью удовлетворить спрос производителей радиоэлектронных и электротехнических устройств.

К основным параметрам относятся:

  • номинальное сопротивление терморезистора, измеренное при температуре 25 ºC;
  • мощность рассеяния (то есть максимальный ток, при котором обеспечиваются стабильность параметров терморезистора);
  • диапазон рабочих температур, для которых предназначен терморезистор;
  • ТКС.

Полупроводниковые термисторы обладают высокой чувствительностью в сочетании с отрицательными значениями ТКС. Они просты в изготовлении, имеют крохотные размеры, легко встраиваются в микросхемы. Все эти свойства делают термисторы незаменимыми в микроэлектронике.

Полупроводниковые термисторы подключаются через мостовую схему. Такое подключение позволяет в автоматическом режиме регулировать требуемые параметры электрических цепей. Иногда для этих целей приходится применять довольно сложные схемы автоматики.

Параметры металлических терморезисторов больше подходят для электротехнических устройств, в частности, они используются в качестве датчиков температуры. Их можно увидеть в водонагревательных установках, или в термометрах сопротивления. Такие типы датчиков (рис. 7) очень надежны в работе, имеют довольно широкий диапазон измерения.

Рис. 7. Датчик температуры

Датчики этого типа подключаются по простой схеме. Если требуется провести калибровку или выставить температуру, это обычно делается вручную, с помощью потенциометра. Простая схема подключения датчика температуры показана на рис. 8. Изменяя потенциометром напряжение можно влиять на величину ТКС. Визуально контролировать температуру можно с помощью амперметра, шкала которого проградуирована в градусах.

Читайте также:  Формулы для расчета трансформаторов

Рис. 8. Простая схема подключения терморезистора

Обозначение на схемах

На принципиальной схеме значки терморезисторов почти такие же, как и символы обычных резисторов, но с косой линией, перечеркивающей прямоугольник. (см. рис. 9). Для различения типа терморезистора внизу этой косой линии проставляют букву t со значком градуса и знаком «+» или «–», в зависимости от типа изделия. Например, +tº или –tº.

Рис. 9. Обозначение на схемах

Иногда проставляется номинал терморезистора и его температурный диапазон.

Маркировка

Существует два способа маркировки – буквенно-цифровая и цветовая, в виде колец и полосок. Единых требований для буквенной маркировки не существует – разные производители применяют свои варианты обозначений. Например, на дисковом термисторе могут стоять символы «15D-30», что расшифровывается так: номинальное сопротивление 15 Ом, диаметр изделия 30 мм. Здесь значение диаметра прямо связано с рассеиваемой мощностью – чем больше диаметр, тем больше рассеиваемая мощность термистора.

Заметим, что у другого производителя эти же параметры могут маркироваться совсем другим способом. Поэтому лучше пользоваться технической документацией изготовителя изделия.

Применение

В основном терморезисторы используют для защиты оборудования и различных устройств от перегрева и от возможных перегрузок. Реже зависимостью сопротивления стабилизируют работу нагревательного элемента.

Примеры использования:

  • защита электромоторов от перегрева;
  • тепловая защита обмоток трансформаторов;
  • в системах размагничивания кинескопов и старых моделей мониторов;
  • в электронных схемах современных автомобилей.

В большинстве схем используется способность термисторов преобразовывать внутреннюю энергию в электрический сигнал, который считывается автоматикой.

В нагревательных приборах терморезистор довольно часто используется в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Его сопротивление возрастает при достижении критической температуры и в результате этого электрическая цепь размыкается.

После остывания прибор восстанавливает работоспособность.
Сферы применения можно перечислять очень долго, но и эти примеры показывают, насколько востребованными оказались термисторы и термисторы.

16 полупроводниковые диоды полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

16.6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные (рис. 16.13) и плоскостные (рис. 16.14) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n -типа 3 площадью порядка 1 мм 2 и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. Прибор включается в схемы через выводы 1 . В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход.

Малая площадь р-n-перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Площадь р-n-перехода плоскостных диодов достигает десятков и сотен мм 2 .

Рис. 16.14. Конструкция плоскостного выпрямительного диода: 1 — вывод; 2 — стеклянная втулка; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — гайка, 5 — шайба; 6 — основание: 7 — металлический корпус

Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донорной примесью помещают таблетку акцепторной примеси, которая расплавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область р-типа, граничащую с массой кристалла. У этой границы возникает р-n-переход.

При изготовлении диода методом диффузии кристалл с донорной примесью помещают в газовую среду акцептора (кристалл с акцепторной примесью — в газовую среду донора) и выдерживают длительное время при заданной температуре. Диффундируя в поверхность кристалла, молекулы акцептора (или донора) образуют область с типом электропроводности, противоположным типу электропроводности кристалла.

Метод сплавления позволяет получить р-n-переход с резким изменением концентрации примеси. При методе диффузии концентрация примесных атомов в области р-n-перехода изменяется плавно.

Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обеспечивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в р-n-переходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно прижимается к монтажной металлической панели.

Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-n-перехода (см. рис. 16.12). Вольт-амперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой р-n-перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70° С, а кремниевых — при 200° С. Высокая термическая устойчивость кремния — важнейшее его преимущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм 2 и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами.

Одна из важных характеристик диода — пробивное обратное напряжение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у современных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно несколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода.

Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли ом, с повышением температуры оно уменьшается.

(Ответьте на карт. № 16.6а.)

Карточка № 16.6а (175) Полупроводниковые диоды

Укажите основное достоинство точечного диода

Малые размеры Простота конструкции

Малая емкость р-n-перехода

Какой метод не применяется для создания р-n-перехода в плоскостных диодах?

Формовка большими импульсными токами

Из какого материала может быть изготовлена таблетка примеси для получения р-n-перехода методом сплавления в кристалле р-n-типа?

Как изменяется пробивное напряжение диода с увеличением температуры от 0 до 70″ С?

Это зависит от материала диода

С какой целью мощные диоды изготовляют в массивных металлических корпусах?

Для повышения прочности

Для лучшего отвода теплоты

Для повышения пробивного напряжения

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении (например, 1 В). Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

Рис. 16.16.. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т. д.), называют высокочастотными. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

Детекторные свойства СВЧ-диода, определяемые коэффициентом выпрямления, зависят от емкости р-n-перехода. Чем меньше эта емкость, тем больше коэффициент выпрямления.

Ранее установили, что ширина обедненного слоя и, следовательно, емкость электронно-дырочного перехода зависят от напряжения, приложенного в непроводящем направлении. Такая зависимость дает возможность изменять емкость диода, варьируя обратное напряжение на нем. Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называют варикапами.

Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический (не тепловой) пробой (см. рис. 16.12), позволяет использовать полупроводниковый диод в схемах стабилизации напряжения.

Вспомним явление электронно-дырочного перехода электрический пробой

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают на расстоянии, равном длине свободного пробега, энер­гию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происхо­дит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

Туннельный эффект выражается в том, что элек­трон с энергетического уровня области р проникает сквозь потенциальный барьер без потери энергии на такой же энергетический уровень области n . При уве­личении напряжения до U Kp вероятность таких перехо­дов возрастает, что и приводит к увеличению обрат­ного тока.

Одна из возможных схем стабилизации представлена на рис. 16.15. Выходное напряжение схемы с большой степенью точности поддерживается на заданном уровне U ВЫХ = const, равном критическому (пробивному) напряжению диода С Т . Разница между входным и выходным напряжениями гасится на сопротивлении R г .

Если входное напряжение возрастает, то увеличивается и обратный ток диода, возрастает ток I и падение напряжения на гасящем сопротивлении R r . Приращения напряжений ΔU вx и Δ I · R г взаимно компенсируются, а U вых сохраняется на заданном уровне.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Недостаток рассмотренной схемы — зависимость пробивного напряжения стабилитрона, а следовательно, и выходного напряжения U вых от температуры. Эту зависимость можно существенно уменьшить, включив последовательно со стабилитроном компенсирующий диод в прямом направлении.

Для стабилизации малых напряжений (порядка 1 В) используют диод, включенный по той же схеме, но в прямом направлении. При этом для повышения степени стабильности выходного напряжения структуру электронно-дырочного перехода формируют так, чтобы вольт-амперная характеристика диода в прямом направлении по возможности круто поднималась вверх при возрастании напряжения стабилизации (рис. 16.16).

При больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект р-п- перехода. При этом в вольт-амперной характеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлением (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний. Такие диоды называют туннельными.

Для работы в импульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перераспределение носителей зарядов в р-n-переходах при смене полярности напряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а также легируют область р-n-перехода небольшой присадкой золота.

Условные обозначения некоторых полупроводниковых диодов изображены на рис. 16.17.

Маркировку диодов осуществляют с помощью цифр и букв.

Карточка № 16.66 (240) Полупроводниковые диоды

Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока?

Какой полупроводниковый прибор имеет отрицательное сопротивление?

Общая электротехника и электроника

1. Зависимость тока стока I от одного из напряжений U при фиксированной величине второго – это:

А) вольтамперная характеристика

Б) выходная характеристика

В) входная характеристика

Г) амплитудно-частотная характеристика

2. Что является преимуществом полярных транзисторов?

А) отсутствие наклеенного катода

Б) наличие накаленного катода

В) можно использовать в полевых условиях

Г) чувствительность к повышению температуры

3.Коэффициент передачи тока эммитера – это коэффициент:

4. В каких режимах могут работать полевые транзисторы?

А) активном, отсечки и насыщения

Б) пассивном и активном

В) дырочном и пробойном

Г) лавинном и тепловом

5. В каком режиме транзистор используется для усиления сигнала с малыми искажениями?

Читайте также:  Как рассчитать сопротивление провода?

6. Зависимость тока коллектора при постоянном токе базы – это:

А) выходная характеристика

Б) входная характеристика

В) вольтамперная характеристика

Г) амплитудно-частотная характеристика

7.Прибор, имеющий 2 взаимодействующих Pn перехода называется:

А) полярный транзистор

8. На чем основана работа полевого транзистора?

А) использовании основных носителей заряда

Б) использовании интегральных микросхем

В) наличии удельного сопротивления

Г) наличии перехода

9. Полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем – это:

А) полевой транзистор

Б) биполярный транзистор

10. Какие параметры характеризуют устойчивость транзистора при работе в диапазоне температур:

А) электрод, подключенный к центральному слою

Б) электрод, подключенный к внешнему слою

В) место, где хранится важная информация

12. Главное отличие коллектора от эммитера :

А) бо́льшая площадь p — n-перехода

Б) слой, к которому он подключен

Г) выходная характеристика

13. Сколько режимов работы биполярного транзистора существует?

14. В каком режиме эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое:

В) режиме насыщения

Г) режиме отсечки

15. В чём достоинство схемы с общим коллектором?

А) большое входное сопротивление

Б) малое входное сопротивление

В) большое выходное сопротивление

Г) усиление напряжения

Тест №2

1. Резкое изменение режима работы диода называется:

2. Носителями какого заряда являются электроны?

В) положительного и отрицательного

3. В зависимости от чего дырочный переход бывает открытым или закрытым?

А) от направления электрического тока

Б) наличия перегородки

В) от напряжения

Г) от сопротивления

4. Какими свойствами обладает Pn переход?

5. Какая характеристика диода является основной?

6. Какие виды проводимости бывают?

А) электронная и дырочная

Б) электрическая и неэлектрическая

В) дырочная и недырочная

Г) магнитные и электронные

7.От чего зависит допустимый выпрямленный ток?

А) от температуры окружающей среды

Б) от подаваемого напряжения

В) от сопротивления на резисторе

Г) свой вариант ответа

8. Резкое изменение режима работы диода называется:

9. При повышенной температуре возрастает прочность:

А) теплового пробоя

Б) лавинного пробоя

В) прямого пробоя

Г) обратного пробоя

10. Полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания – это:

11. Какие виды пробоя лежат в основе стабилитрона?

А) лавинный и туннельный

Б) тепловой и лавинный

В) лавинный и снеговой

Г) туннельный и шахтовый

12. В результате чего возникает лавинный пробой?

А) ударной ионизации

Б) ударной волны

В) ионизации излучения

Г) полярной ионизации

13. Вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков – это:

14. Пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона:

15.Явления, обусловленные взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем, называются:

Тест по радиоэлекторнике.

1.Как может быть осуществлена передача информации?

А) по электрическим линиям или без проводов с помощью э/м линий;

Б) через Интернет;

В) через Bluetooth;

Г) через электроприборы;

2.Кто является основателем радиоэлектроники?

А) Фарадей, Кулон, Максвелл, Герц, Попов;

Б) Гоголь, Пушкин;

3.Что такое электротехника?

А) наука об электрической энергии;

Б) наука об основных положениях физики;

В) наука о средствах потребления энергии;

Г) наука о растениях;

4.Из чего состоит электрическая цепь?

А) источник электрической энергии и проводов;

Б) из резистора и амперметра;

В) из электричества;

5.Как обозначается напряжение?

6.В результате чего сформировалась радиоэлектроника?

А) слияния электроники и радиотехники;

Б) электричества и световых потоков;

В) слияние микро и макро процессов;

Г) столкновения литосферных плит;

7.В каком веке стремительно развивалась радиоэлектроника?

8.Что называют радио – электрическими средствами?

А) электронное средство в основы которого положены принципы радиотехники;

Б) наука об электрической энергии;

В) электрические линии;

Г) средства передачи информации;

9.В чем измеряется напряжение?

Б) в сантиметрах;

В) в световых днях;

10.Как обозначается сила тока?

11.В чем измеряется сила тока?

12.Каким прибором измеряется напряжение?

13.Каким прибором измеряется сила тока?

14.Как обозначается сопротивление?

15.В чем измеряется сопротивление?

16.Каким прибором измеряется сопротивление?

17.Как обозначается напряженность?

18.В чем измеряется напряженность?

19.Каким прибором измеряется напряженность?

Отличие полевого транзистора от биполярного. Сфера их применения.

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим отличие полевого транзистора от биполярного, узнаем в каких сферах применяются и те, и другие транзисторы.

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные транзисторы. Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

Отличие полевого транзистора от биполярного

Биполярные транзисторы

Проводящая область конструкции состоит из трёх «спаянных» полупроводниковых частей, с чередованием по типу проводимости. Полупроводник с донорной (электронной) проводимостью обозначается как n-тип, с акцепторной (дырочной) – p-тип. Таким образом, мы можем наблюдать только два варианта чередования – p-n-p, либо n-p-n. По этому признаку различают биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурой.

Канал полевого транзистора может иметь электрическую связь с металлом затвора — неизолированный затвор, а может быть и отделён от него тонким слоем диэлектрика — изолированный затвор.

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?

И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей)
  • почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных
  • квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду)
  • высокая температурная стабильность
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»
  • малое потребление мощности

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Отличие полевого транзистора от биполярного

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Ток или поле, управление транзисторами

Большинству людей, так или иначе имеющими дело с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле, различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Разная реакция на нагрев

У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).

Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах.

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают, почему?

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

Видео, отличие полевого транзистора от биполярного