Полупроводники. Общие сведения

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ2
2. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ3
3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ5
4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ7
5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ11

5.1. ДИФФУЗИОННЫЙ КОНДЕНСАТОР………………………….11

5.2. МОП-КОНДЕНСАТОР…………………………………………..13

6.   ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА……………………………...15

6.1. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД………………………………...15

6.2. ЛАЗЕРЫ…………………………………………………………..17

6.3. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ……………………………………19

6.4. ОПТОПАРА (ОПТРОН)…………………………………………21

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..23
8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Ключевые слова: полупроводники, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, полупроводниковые конденсаторы, оптоэлектронные приборы.

Цель настоящей работы: ознакомиться с основными характеристиками принципа работы полупроводникового резистора, конденсатора и оптоэлектронного устройства.

В соответствии с целью  необходимо решить следующие задачи:

- ознакомиться с видами  полупроводниковых резисторов, конденсаторов и оптоэлектронных устройств;

- изучить особенности  полупроводниковых резисторов, конденсаторов и оптоэлектронных устройств;

- ознакомится с основными  параметрами полупроводниковых резисторов, конденсаторов и оптоэлектронных устройств;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Полупроводники  как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность. Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

  Задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник
2. фотопроводимость.

Были  построены первые приборы на их основе.

О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования  контактов полупроводник-металл для  усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические  детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х  годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом  германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное  изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование  методов очистки кристаллов и  их легированию (введение в полупроводник  определенных примесей).

  В СССР изучение полупроводников  начались в конце 20 - х годов  под руководством академика А.Ф.  Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

  Интерес к оптическим свойствам  полупроводников возрос всвязи  с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на  p - n - переходе, а затем на гетеропереходах. 

В последнее  время большее распространение  получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали  изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Внутри, каждого из указанных  видов приборы подразделяются на типы: диоды — по значениям максимально  допустимого среднего прямого тока, тиристоры - по значениям максимально  допустимого прямого тока в открытом состоянии, стабилитроны — по значениям  максимально допустимой мощности рассеяния.

Приборы одного типа подразделяются на классы:  
- диоды — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения,  
- тиристоры - по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии, тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры — по значениям повторяющегося напряжения в закрытом состоянии,

- стабилитроны — по  значениям напряжения стабилизации.

Кроме того, виды диодов и тиристоров подразделяются на подвиды в зависимости от коммутационных параметров.

Для диодов:

а) диод - время обратного восстановления не нормируется; 

б)быстровосстанавливающийся диод - время обратного восстановления равно или менее нормы.

Для тиристоров:

а) тиристор — время включения  и время выключения не нормируется; 

б) быстровыключающийся тиристор — время выключения равно или  менее нормы; 

в) быстровключающийся тиристор — время включения равно или  менее нормы; 

г) быстродействующий тиристор — время включения и время  выключения равно или менее нормы.

В зависимости от отличительных  признаков диоды и тиристоры  подразделяются следующим образом:

- тиристор, управляемый с  помощью внешнего светового сигнала, — фототиристор; 

- тиристор, управляемый с  помощью внутреннего светового  сигнала от светоизлучающего  диода при воздействии внешнегоэлектрического сигнала, — оптотиристор (тиристорная оптопара);

- тиристор, проводящий в  обратном направлении, допускающий  работу в обратном направлении  в качестве диода, — тиристор-диод;

- диод (тиристор), имеющий  лавинные вольт-амперные характеристики, — лавинный диод (лавинный тиристор).

Кроме того, приборы подразделяются по конструктивным признакам и по полярности.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

 

Кроме постоянных и переменных резисторов существует ещё один большой  класс резисторов, называемых полупроводниковыми. К полупроводниковым резисторам относятся: терморезисторы, болометры, позисторы, варисторы и фоторезисторы. Рассмотрим подробнее каждый тип  резисторов ниже.

I. Терморезисторы представляют собой полупроводниковые тепловые приборы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При увеличении температуры возникает термогенерация носителей заряда в материале полупроводника, вследствие чего снижается электрическое сопротивление терморезистора. Различают терморезисторы, реагирующие на изменение температуры окружающей среды и на нагрев, вызванный проходящим через них током. Свойства терморезисторов первой группы определяются температурной характеристикой R_т = φ(t°), выражающей зависимость сопротивления прибора от температуры окружающей среды. Свойства второй группы терморезисторов оценивают по вольтамперной характеристике U = φ(I), которая отражает его нагрев проходящим током и определяет нелинейные свойства прибора. Обозначение терморезисторов состоит из трёх-четырёх элементов, например, СТ1-21, СТ4-15, СТ3-27. Буквы первого элемента (СТ) обозначают термочувствительное сопротивление, цифры второго элемента характеризуют тип используемого полупроводникового материала (1 - кобальто-марганцевый, 2 - медно-марганцевый, 3 - медно-кобальто-марганцевый, 4 - кобальто-никелево-марганцевый), третьего элемента - код конструкции, буквы четвёртого элемента обозначают код интервала рабочих температур (эти буквы могут и не ставиться). Основными параметрами терморезисторов являются:

1) Сопротивление ( R_т ) при температуре 20 С°

2) α_т - температурный коэффициент сопротивления, выражающий в процентах изменение сопротивления прибора при изменении температуры на 1 С°

3) Постоянная времени ( τ ), характеризующая тепловую инерционность терморезистора ( τ = C_т/P_р, где С_т - теплоёмкость, представляющая энергию, необходимую для нагрева терморезистора на 1 С°, Вт*с/С°; P_р - коэффициент рассеивания, т.е. мощность, рассеиваемая терморезистором при разности температур между ним и средой в 1 С°, Вт/C°)

4) Мощность рассеивания ( Р_т ), при которой температура не превышает допустимой

II. Болометры представляют собой особый вид терморезисторов, используемых в качестве приёмников лучистой энергии. Действие болометров основано на изменении сопротивления чувствительного элемента при его нагревании в результате поглощения энергии излучения. Полупроводниковые болометры содержат два (активный и компенсационный) терморезисторных элемента. Активный непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения, а компенсационный экранирован от излучения и служит для компенсации влияния изменения температуры окружающей среды. Обозначения полупроводниковых болометров состоят из букв и цифр (например, БКМ-1, БКМ-2), указывающих порядковый номер типа прибора. Применяют болометры для бесконтактного дистанционного измерения температуры, в качестве приёмников лучистой энергии, в спектральных приборах, в различных системах ориентации. Иммерсионные полупроводниковые болометры (например, БП1-2) используют в качестве приёмников инфракрасного излучения в аппаратуре автоконтроля ответственных узлов железнодорожного подвижного состава (колёсных пар, подшипников).

III. Позисторы представляют собой терморезисторы с положительным ТКС. ТКС, позисторов, изготовленных на основе титана бария, достигает десятков процентов на 1 С°. Применяют позисторы для ограничения и стабилизации тока в электрических цепях, авторегулировки усиления в схемах термокомпенсации, для защиты элементов схемы и приборов от перегрева, регулировки температуры и т.д.

IV. Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы объёмного типа с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Для напряжений различной полярности вольт-амперные характеристики симметричны. Варисторы можно использовать в цепях постоянного, переменного (с частотами до нескольких килогерц) и импульсных токов. Изготавливают стержневые и дисковые варисторы из порошкообразного карбида кремния. Условное обозначение варисторов состоит из букв и цифр (например, СН1-1-1-1500). Буквы СН обозначают нелинейное сопротивление, первая цифра указывает применяемый материал, вторая - конструкцию (1 - стержневой, 2 - дисковый), третья - порядковый номер разработки; число в конце обозначения характеризует величину падения напряжения. Варисторы применяют в устройствах стабилизации высоковольтных источников напряжения телевизионных приёмников, для стабилизации токов в отклоняющих катушках кинескопов, в системах размагничивания цветных кинескопов, системах автоматического регулирования. Основными параметрами варисторов являются:

1) Номинальное классификационное напряжение U_кл - постоянное напряжение, при котором через варистор проходит заданный ток ( I_кл )

2) Максимальное допустимое импульсное напряжение ( U_и.макс ) - для стержневых варисторов U_и.макс = (1,2 - 2)*U_кл, а для дисковых U_и.макс = (3 - 4)*U_кл

3) Коэффициент нелинейности ( β ) - отношение сопротивления варистора постоянному току к его сопротивлению переменному току.

4) Номинальная мощность рассеивания P_ном = I_кл*U_кл при заданной температуре среды.

V. Фоторезисторы представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием электромагнитного (светового) излучения. Характер изменения сопротивления определяется интенсивностью и составом облучающего света. Фоторезисторы используют для формирования электрических сигналов под действием облучающих световых сигналов, а также для обнаружения и регистрации световых сигналов. Основными параметрами фоторезисторов являются:

1) Рабочее напряжение, при котором фоторезистор может быть использован в течение указанного срока службы с сохранением его параметров.

2) Допустимая мощность рассеивания ( P_ф ) - максимальная мощность, рассеиваемая на фоторезисторе, без его теплового повреждения

3) Темновое электрическое сопротивление ( R_т ) - при 20 C° через 30 секунд после снятия освещённости 200 лк.

4) Темновой ток ( I_т ), проходящий в цепи фоторезистора при приложенном рабочем напряжении через 30 секунд после снятия освещённости 200 кл.

5) Световой ток ( I_с ), проходящий через фоторезистор при приложенном ррабочем напряжении и освещённости 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850К.

6) Кратность изменения сопротивления ( R_т/R_с ) - отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при освещённости 200 лк от источника с цветовой температурой 2850К.

7) Удельная чувствительность ( ε_о ) - отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока и приложенного к нему напряжения, т.е. ε_о = I_ф/(Ф*U)

8) Интегральная чувствительность ( ε_и ) - произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение, т.е. ε_и = ε_о*U.

 

 

 

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

 

В биполярных полупроводниковых  ИМС роль конденсаторов играют обратно смещенные р-n переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами.