Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению (ρ=10-6 ÷ 1010 Омм) занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые диоды Это полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n - перехода. Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно - графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор. Конструктивно диод состоит из p-n- перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p- области – анод, от n- области – катод. Т. е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду. Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U).

Транзисторы Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей. Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины. Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

Классификация транзисторов: - по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные. - по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой. - по значению предельной частоты: низко -, средне -, высоко - и сверхвысокочастотные. - по значению рабочего напряжения: низко - и высоковольтные. - по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др. - по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах: 1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор « приоткрывается » или « под закрывается ». 2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле. 3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т. е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле. Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Индикатор Электр ó нный индик á тор это электронное показывающее устройство, предназначенное для визуального контроля за событиями, процессами и сигналами. Электронные индикаторы устанавливается в различное бытовое и промышленное оборудование для информирования человека об уровне или значении различных параметров, например, напряжения, тока, температуры, заряде батареи и т. д. Часто электронным индикатором ошибочно называют механический индикатор с электронной шкалой. электронное показывающее устройство механический индикатор

Полупроводниковые приборы урок –исследование по физике. 9 класс

Берюмова Ольга Николаевна, учитель физики МОУ СОШ № 22 Курского муниципального района Ставропольского края

Цель: изучения принципа действия и строения полупроводниковых приборов .

•  виды электропроводности;
•  полупроводники их свойства и применение;

• принципы работы полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы.

• « Полупроводниковые приборы » - это перспективная ветвь развития электротехники.

Диоды

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы

Полупроводники

Триоды

Интегральные микросхемы

Транзисторы

Резисторы

Виды проводимости

Примесная

Электронная

Дырчатая

Не основные носители заряда

• созда ётся путём добавления к тщательно очищенному полупроводнику весьма малого количества примеси.

• В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход , называемый также р-п- переходом или запирающим слоем.

Биполярные транзисторы

• Биполярный транзистор можно условно рассматривать как соединение полупроводниковых диодов.
• * Термин «транзистор», образованный путем слияния двух английских слов transfer -передача и resistor - сопротивление, надо понимать как передающее сопротивление. .

• В современных электронных вычислительных машинах количество пассивных (резисторов, конденсаторов) и активных (диодов, транзисторов) элементов достигает миллионов.

• 1 . Средствами электротехники относительно быстро решаются важнейшие технические проблемы в народном хозяйстве.
• 2. Полупроводниковые приборы вытеснили электронные лампы и ионные приборы
• 3. Электрическая проводимость полупроводников с повышение температуры уменьшается.
• 4. Чем лучше очистка полупроводника, тем выше его удельное сопротивление.
• 5. На практике используется исключительно примесная электропроводность полупроводников,
• 6. Размеры диода зависят от допустимой для данного типа диодов плотности тока.
• 7. Чем больше нагревостойкость диода, тем меньше могут быть его габариты при том же КПД

• 8 . В настоящее время широко применяют несколько видов полупроводниковых диодов: селеновые, германиевые, кремниевые, редко из арсенида галлия.

9. Применение электронных устройств приводит к непрерывному усложнению их схем и к увеличению количества используемых в них элементов.

• 10 В современных электронных вычисли­тельных машинах количество пассивных (резисторов, конденсаторов) и активных (диодов, транзисторов) элементов достигает миллионов.
• 11 Разработаны новые принципы создания электронных устройств на базе элементной интеграции.
• 12 Электронные устройства на полупроводниковых интегральных микросхемах могут иметь плотность монтажа до 500 элементов в 1 см 3 .

• 13. Интегральные микросхемы представляют собой усилительные устройства.
• 14. Они обладают большим быстродействием и высокой надежностью (безотказностью в работе). Современные интегральные микро­схемы могут содержать более 1000 элементов.
• 15. Большие интегральные микросхемы рассчитаны на очень небольшую мощность - десятые доли ватта .

Интегральные датчики температуры на БТ 2 Большинство полупроводниковых датчиков температуры используют соотношение между напряжением база-эмиттер и током коллектора. Базовая схема измерения температуры Схемы ячеек датчиков температуры Ячейка Брокау Ячейка токового датчика температуры

Интегральные датчики температуры на БТ 3 Датчики температуры с токовым выходом TO-92Корпус от -25 до 105T A,°C 0,298I CC,мА от 4 до 30V CC,В Различные схемы включения токовых ДТ для определения: а среднего значения температуры в трех точках пространства, б точки с минимальной температурой из трех контролируемых, в разности температур в двух точках

Интегральные датчики температуры на БТ 4 Датчики температуры с выходом по напряжению Vcc, В2, Чувствительность, мВ/ С 10 Рабочий диапазон температур, С AD AD Vcc, В Чувствительность, мВ/ С 10 Рабочий диапазон температур, С Icc, мА0,12 LM45 LM135/235/335 Vcc, В2, Чувствительность, мВ/ К 10 Рабочий диапазон температур, С LM LM LM Простейшие схемы применения для измерения: а – минимальной из трех температур, б – среднего значения температуры для трех точек, в – разности температур Типовые схемы включения: а – без калибровки, б – с калибровкой

Интегральные датчики температуры на БТ 5 Схемы простого термостата Логометрический ДТ: а – структурная схема, б – схема преобразования температуры в код, не зависящий от напряжения питания Логометрические ДТ Системы измерения называются логометрическими, если конечный результат преобразования не зависит от температуры. Выходной сигнал логометрических датчиков зависит от напряжения питания. Vcc, В2,7...3,6 Чувствительность, мВ/ С 28 Рабочий диапазон температур, С Icc, мА0,5 КорпусSOIC-8, TO92 Удобно сопрягать датчик с 12-разрядным АЦП AD7896, который использует питающее напряжение в качестве опорного

Датчики температуры с цифровым выходом 6 Микросхемы MAX6576/MAX6577 это дешёвые, слаботочные температурные датчики с однопроводным выходом. Микросхема MAX6576 преобразует окружающую температуру в меандр с периодом пропорциональным абсолютной температуре (°K). Микросхема MAX6577 преобразует окружающую температуру в меандр с частотой пропорциональной абсолютной температуре. Микросхема MAX6576 обеспечивает точность ±3°C при +25°C, ±4.5°C при +85°C и ±5°C при +125°C. Микросхема MAX6577 обеспечивает точность ±3°C при +25°C, ±3.5°C при +85°C и ±4.5°C при +125°C. Наименование Интерфейс Точность (±°C) Диапазон питающего напряжения (В)Рабочий диапазон (°C)Корпус MAX6576 MAX6577 период - темп. частота - темп. 3 от 2.7 до 5.5 от –40 до /SOT2 3 Оба устройства отличаются однопроводным выходом, который минимизирует число выводов, необходимых для взаимодействия с микропроцессором. Диапазон периода/частоты выходного меандра может быть выбран подключением двух выводов выбора времени (TS0, TS1) к VDD (питание) или GND (общий). Микросхемы MAX6576/MAX6577 выпускаются в компактных 6-контактных SOT23 корпусах.

Датчики температуры с ШИМ 7 TMP03/TMP04 - полупроводниковая ИС, длительность прямоугольного сигнала на выходе которой прямо пропорциональна ее температуре. Встроенный преобразователь температуры вырабатывает прямопропорциональное температуре напряжение, которое сравнивается с опорным напряжением, и результат сравнения подается на цифровой модулятор. Масштабный формат кодирования выходного последовательного цифрового сигнала позволяет избежать ошибок, возникающих в других устройствах ввиду нестабильности частоты синхросигнала. Приборы имеют типовую погрешность измерения ±1.5°C в диапазоне от -25°C до +100°C и превосходную линейность характеристики преобразования. Цифровой выход TMP04 является ТТЛ/КМОП совместимым, что позволяет подключать его к большинству микроконтроллеров напрямую. Выход с открытым коллектором прибора TMP03 имеет максимальный втекающий ток 5 мА. TMP03 и TMP04 имеют рабочий диапазон напряжения питания от 4.5 до 7 В. Работая от 5 В источника питания при ненагруженном выходе приборы потребляют менее 1.3 мА. TMP03/TMP04 определены для работы в температурном диапазоне от -40°C до +100°C и выпускаются в ТО-92, SO-8 и TSSOP-8 корпусах. С пониженной точностью приборы способны измерять температуру до 150°C. Формат выходного сигнала ДТ

Датчики температуры с последовательным цифровым интерфейсом 8 Эта микросхема помимо температурного датчика на основе биполярного транзистора включает также сигма- дельта АЦП, интерфейс которого совместим с интерфейсами SPI и MICROWIRE. Тринадцатиразрядный АЦП обес­печивает разрешение °С в диапазоне температур от -55 до +150°С. Датчик допускает перевод в режим молчания с пониженным энергопотреблением (shutdown mode), при котором потребляемый ток уменьшается до 10 мкА. Датчик изготавливается в корпусе SO-8 и в миниатюрном 5-выводном micro SMD-кopпyсe. Датчики температуры AD7816/17/18 Датчики температуры DS18B20

Температурные компараторы 9 Прибор имеет выход с открытым коллектором, который переключается при достижении температурой заданного пользователем значения. ADT05 имеет гистерезис, равный приблизительно 4°С, что обеспечивает быстрый цикл включения/выключения. ADT05 разработан для работы с однополярным напряжением питания от + 2,7 до +7,0 В, что облегчает их применение как в батарейных устройствах, так и в индустриальных контрольных системах. Номинал резистора, задающего температуру срабатывания, определяется выражением: R SET = 39 МОМ°С/(T SET (°C) + 281,6°C) - 90,3 к Ом. ТМР01 – двухканальный контролер, который также вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное абсолютной температуре (выход 5). Помимо этого он вырабатывает сигналы управления на одном или обоих выходах, когда температура оказывается за пределами заданного температурного диапазона. Верхняя и нижняя границы диапазона и гистерезис компараторов каждого из этих каналов задаются внешними сопротивлениями.

Представлена презентация, которую можно использовать на уроках физики, а также на занятиях по электротехнике и основам электроники в средних профессиональных образовательных учреждениях. В работе изложена тема “полупроводниковые приборы”.

Полупроводниковыми или электропреобразовательными называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.

K полупроводникам относятся элементы четвертой группы таблицы Менделеева, имеющих кристаллическую структуру. Наиболее распространенными являются германий, кремний, селен.

K полупроводникам также относятся окислы металлов - оксиды, соединения с серой - сульфиды, соединения с селеном – селениды.

Виды полупроводников и их проводимостей. Собственный полупроводник - это беспримесный полупроводник.

Процесс возникновения свободных электронов и дырок называется генерацией носителей заряда.

B полупроводнике возможен процесс, обратный процессу генерации - рекомбинация. При рекомбинации происходит уничтожение пары зарядов электрон-дыркаКонцентрация носителей заряда, а следовательно, и электропроводность в полупроводнике возрастает с увеличением температуры. При температуре концентрация носителей заряда для чистого Ge равна 10 13 см -3 , для Si – 10 11 см -3 .

Этот полупроводник обладает собственной проводимостью, которая складывается из электронов и дырок в равных количествах

3 слайд:

Виды полупроводников и их проводимостей

Электронный полупроводник

Проводимость такого типа называется электронной или n-типа (от negative - отрицательный).

Примесь, дающая избыток электронов называется донорной (дающей электроны - основные носители зарядов, а дырки - неосновные.

Дырочный полупроводник

Дырочным (p-типа) называется примесный полупроводник, валентность атомов примеси которого меньше валентности атомов чистого полупроводника. Например, германий с примесью индия. Проводимость такого полупроводника будет определяться дырками и называется дырочной или р -типа (от positive – положительный).

Примесь, дающая избыток дырок, называется акцепторной (принимающей).

Дырки - основные носители зарядов, а электроны - неосновные.

5 слайд:

Полупроводниковые диоды

1. Случай отсутствия напряжения.

Область, в которой образуется двойной электрический слой и электрическое поле называется электронно-дырочным n-p - переходом.

Основные носители заряда, перемещаясь через n-p – переход, создают ток диффузии. Движение неосновных носителей заряда создает ток проводимости.

B состоянии равновесия эти токи равны по величине и противоположны по направлению. Тогда результирующий ток через переход равен нулю.

2. Случай прямого напряжения.

Такой полярности напряжение называется прямым.

При прямом напряжении внешнее поле ослабляет поле n-p – перехода.

Переход основных носителей заряда будет преобладать над переходом неосновных носителей заряда. Через переход пойдет прямой ток. Этот ток велик, т.к. определяется основными носителями заряда.

3. Случай обратного напряжения.

Через n-p – переход переходят только неосновные носители заряда: дырки из n – полупроводника и электроны из р – полупроводника. Они и создают во внешней цепи ток, противоположный прямому току – обратный ток. Он примерно в тысячу раз меньше прямого тока, т.к. определяется неосновными носителями зарядов.

8 слайд:

Вольтамперная характеристика диода

При увеличении обратного напряжения потоки основных носителей заряда уменьшаются, обратный ток увеличивается.

Дальнейшее увеличение U обр увеличивает ток незначительно, т.к. он определяется потоками неосновных носителей заряда.

Основное свойство диодов: т.к. диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то они обладают свойством односторонней проводимости, являются электрическими вентилями и используются в схемах выпрямителей переменного тока.

9 слайд:

Типы диодов

Устройство плоскостного диода

Устройство точечного диода

Обозначение полупроводниковых диодов на схемах.

10 слайд:

Опорные кремниевые диоды

Этот диод устроен так, что повышение обратного напряжения (приложенного к n-p – переходу) выше некоторого предела приводит к пробою диода - быстрому возрастанию обратного тока I обр при постоянном значении обратного напряжения U обр.

Если ток через диод превысит I maх, то это приведет его к перегреву и разрушению. Рабочим участком характеристики является участок отI min доI maх , который используется для стабилизации напряжения. Опорные диоды используются для стабилизации напряжения и создают опорное (эталонное) напряжение. Поэтому они называются кремниевыми стабилитронами.