Электротехнические материалы и изделия

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме: “Электротехнические материалы и изделия”

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Выполнил обучающийся 2 курса

профессионального лицея №2

                           Марков Паве

 

Содержание

1.Основные  свойства полупроводников

2.Полупроводниковые приборы

3.Выпрямители

4.Приборы  для отображения информации

5.Фотоэлектрические  приборы

6.Электронные  усилители

7.Генераторы  гармонических колебаний

8.Импульсные  устройства

9.Стабилизатор

10.Интегральная  микросхема 

11. Литература

 

1. Основные  свойства полупроводников

 

По электропроводности вещества можно разделить на четыре группы: диэлектрики, проводники, сверхпроводники  и полупроводники.

Полупроводники –  это вещества, удельное сопротивление  которых зависит от внешних условий, например, флюктуаций температуры, изменений интенсивности облучения световым потоком и прочего. В результате, в определённых условиях полупроводники могут менять своё удельное сопротивление, и оно может стать со всеми промежуточными градациями либо таким, как у проводников, либо как у диэлектриков. При температуре вблизи абсолютного нуля полупроводники обладают диэлектрическими свойствами, а при нагреве выше определённой критической температуры они проявляют свойства проводников. Зависимость их сопротивления от температуры нелинейна.

Собственным полупроводником называют полностью лишённый примесей полупроводник  с идеальной кристаллической  решёткой без дефектов. Его также  называют полупроводником i-типа (от слова intrinsic, что в переводе с английского  означает «собственный»). Собственный полупроводник при температуре –273,15 °C является диэлектриком, т.е. при температуре абсолютного нуля в собственном полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда. При температуре выше абсолютного нуля возникают колебания атомов в узлах кристаллической решётки. При получении большей энергии, нежели ширина запрещённой зоны, они разрывают ковалентные связи, образуя фононы, в результате чего возникают расположенные в непосредственной близости друг от друга пары носителей зарядов: дырок и электронов, которые стали свободными.

К полупроводникам относят  многие химические элементы, такие, как  кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, сульфидов, селенидов  и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов. По словам академика  А. Ф. Иоффе, "полупроводники - это почти весь окружающий нас неорганический мир".

Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике  обычно используют только кристаллические  полупроводники (монокристаллы с  примесями не более одного атома примеси на 10¹⁰ атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ См/м (для металлов - 10⁶-10⁸ См/м, для диэлектриков - 10^-8-10^-13 См/м). Основная особенность полупроводников - возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей. Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела.

Электропроводность полупроводников. Собственная электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны. В полупроводниках - электроны и дырки.

Электропроводность собственных  полупроводников (i-тип), т. е. таких веществ, в которых не содержатся примеси  и нет структурных дефектов кристаллической  решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома . Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное ("вакантное") место - дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.Свободное место - дырку - может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т. д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки. При этом следует иметь в виду, что в кристаллической решетке атомы "жестко" закреплены в узлах. Уход электрона из атома приводит к ионизации, а последующее перемещение дырки означает поочередную ионизацию "неподвижных" атомов. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под действием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды,- по направлению поля.

 

Электропроводность полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Примесная электропроводность. Если в полупроводник внести примесь, он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной .Внесение в полупроводник донорной примеси существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике.

В таком примесном  полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники - полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки - неосновными. Удельная электрическая проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией основных носителей и тем выше, чем больше их концентрация.

   Фотопроводимость полупроводников.

Эффекты поглощения света  в полупроводниках находят практическое применение для создания модуляторов  световых потоков, фотоприемников и преобразователей световой энергии в электрическую.

Для модуляции световых потоков можно использовать зависимость  коэффициента поглощения у края собственной  полосы от давления, внешнего электрического поля и концентрации свободных носителей заряда или зависимость поглощения света свободными носителями от их концентрации.

Электрография. Внутренний фотоэффект в полупроводниках широко используется в электрической фотографии, или электрографии, сущность которой  состоит в следующем.

На лист бумаги наносится  тонкий слой высокоомного полупроводника (обычно ZnO). Перед фотографированием  пленка посредством газового разряда  заряжается отрицательно. При проецировании  на такую бумагу изображения поверхностный  заряд с сильно освещенных частей стекает значительно быстрее, чем со слабо освещенных, вследствие чего после экспозиции на бумаге возникает электрическое изображение объекта. Для проявления электрического изображения бумагу обдувают слабым потоком заряженных частиц специальной сухой краски. Оседая в тех местах бумаги, где сохранился отрицательный заряд, эти частицы проявляют изображение. Для фиксирования изображения бумагу нагревают до температуры при которой частицы краски расплавляются и прочно закрепляются на бумаге.

2.Полупроводниковые приборы

Их составляет целая  группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый  материал .

Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс - к аноду, минус - к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод "наоборот", то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.

 

К основным параметрам диодов относят:

• максимально допустимый постоянный прямой ток, А;
• максимально допустимый импульсный прямой ток, А;
• максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В;
• максимально допустимое импульсное обратное напряжение, В;
• обратный ток, протекающий через диод в обратном включении при приложенном к его выводам максимально допустимом постоянном напряжении, мкА;
• статическое сопротивление диода в прямом включении, равное отношению падения напряжения на диоде в прямом включении к силе прямого тока, Ом;
• статическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению величины обратного напряжения к силе обратного тока, МОм;
• динамическое сопротивление диода в прямом включении, составляющее отношение изменения падающего не диоде постоянного напряжения в прямом включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;
• динамическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом;
• полная ёмкость запертого диода, пФ;
• максимально допустимая частота протекающего по диоду переменного тока, Гц

Идеальных диодов на практике не бывает. Реальный диод всегда имеет  конечную величину обратного напряжения, после чего наступит электрический  пробой, и вполне определённый максимальный прямой ток, превышение которого вызовет тепловой пробой. Вольтамперная характеристика реального диода дана на рис.

 

Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг "пробивается" и начинает пропускать ток. Напряжение "пробоя" называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения.

 

Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе  малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки - метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода - это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.

Транзисторы. Из полупроводниковых  приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор - усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое - за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления.

Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база - эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор - эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.

Отдельным классом полупроводниковых приборов можно выделить так называемые оптоприборы.

Разработаны и успешно  применяются на практике Лазерные светодиоды (или, как их еще называют - полупроводниковые лазеры). Такие лазеры широко используются в системах связи (оптическая и оптоволоконная связи), в военных целях (системы прицеливания), в медицине (для физиолечения). Хорошо известны так называемые лазерные указки... В медицине используются инфракрасные полупроводниковые лазеры большой мощности для хирургических операций. Использование "полупроводникового скальпеля" позволяет производить операции с минимальными кровопотерями, так как такой метод одновременно разрезает ткань и обеспечивает коагуляцию разрезанных сосудов, что способствует быстрейшему заживлению тканей у оперируемого пациента.

К оптоприборам относятся  также фотодиоды и фототранзисторы. Основное отличие фототранзистора  от его предшественника заключается  в наличии на его корпусе светопрозрачного "окошечка" с линзой, фокусирующей свет на кристалле. У фототранзистора  вывод базы может и отсутствовать. В любом варианте - при попадании света на кристалл происходит увеличение сквозного тока через транзистор (как будто бы на базу транзистора было подано некоторое смещение). Увеличение тока через фототранзистор пропорционально увеличению освещенности его кристалла. Если взять любой транзистор и в корпусе, напротив вывода коллектора, просверлить отверстие - получим фототранзистор. Как правило - фототранзисторы включаются в схему только выводами эмиттера и коллектора (вывод базы не используется - а, зачастую, промышленный фототранзистор вывода базы не имеет...). При освещении кристалла транзистора через его переходы начинает протекать ток, то есть, фактически, луч света выполняет функции базы.

Фотодиод как и простой диод имеет всего один переход но на его корпусе также имеется окошечко для прохода света. Фотодиод при освещении кристалла способен генерировать некоторое постоянное напряжение величина которого увеличивается (до некоторых пределов - обычно не превышающих 0.5 вольта) в зависимости от освещенности. В некоторой степени любой диод в стеклянном корпусе (например типа Д9, Д18, ГД407 и т.п.) может выполнять функции фотодиода. Если переход диода осветить достаточно мощным световым лучом - получим изменение сопротивления перехода, которое пропорционально освещенности (фактически - освещение полупроводникового перехода вызывает не изменение сопротивления, а генерацию некоторого тока, величина которого ничтожно мала и зависит от типа материала кристалла и технологии его изготовления). В корпусе промышленного фотодиода (и фототранзистора - тоже!) имеется собирательная линза, фокусирующая пучок света на кристалле, которая увеличивает интенсивность светового потока, воздействующего на переход, и тем самым повышает его чувствительность. Светодиод также может выполнять функции фотодиода (до некоторой степени!).

Еще один из классов полупроводниковых  оптоприборов - это фоторезисторы. Принцип работы фоторезистора основан на изменении его сопротивления при освещении. Основные параметры фоторезистора следующие: Темновой ток (сопротивление в полной темноте) и световой ток (сопротивление при освещении). Чем больше разница между этими двумя показателями - тем лучшие пераметры имеет фоторезистор. В настоящее время функции фоторезистора отлично выполняют фототранзисторы, поэтому фоторезисторы не очень широко используются в современной схемотехнике