Диодные выпрямители Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы (6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы), соединённых между собой по схеме) - основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию - пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. Диодные детекторы Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех[источник не указан 180 дней] радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п.. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода. Диодная защита Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам. Диодные переключатели Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей. Диодная искрозащита Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.
Слайд 2
Область применения
Основным свойством диода является то, что он хорошо пропускает ток в одну сторону, но почти не пропускает ток в другую сторону. С помощью нескольких диодов можно преобразовать переменный ток в постоянный, на котором работают большинство компактных электронных устройств
Слайд 3
Устройство диода
Диод представляет собой пластинку германия (c проводимостью p-типа) и индия (n – типа)
Слайд 5
Принцип работы
Таким образом, если к аноду (+) приложить положительное напряжение, а к катоду (-) ток будет легко проходить. Такое подключение называется положительным включением диода. При обратном включении диода (т.е. если к аноду (-), а к катоду (+) ток проходить не будет.
Слайд 7
Плоскостной диод Нетрудно видеть, что у такого диода площадь p-n перехода намного больше, чем у точечного. У мощных диодов эта площадь может достигать до 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их прямой ток намного больше, чем у точечных. Именно плоскостные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, как правило, не свыше нескольких десятков килогерц.
Действие варикапов основано на использовании емкостных свойств р-n перехода. Варикапы могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется варикап, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического напряжения подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью варикапа и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.
Разделы: Физика , Конкурс «Презентация к уроку»
Презентация к уроку
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Урок в 10-м классе.
Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».
Цели:
- образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
- развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, познавательную активность;
- воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.
Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.
Ход урока
I. Организационный момент.
II. Изучение нового материала.
Слайд 1.
Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Слайд 3.
Механизм проводимости у полупроводников
Слайд 4.
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)
При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.
Слайд 7.
2) дырочная (проводимость " p" – типа)
При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.
Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.
Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.
Полупроводники при наличии примесей
У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.
Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.
Существуют:
Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.
Например – мышьяк.
Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.
Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.
Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.
Слайд 13-16.
Электрические свойства "p-n" перехода
"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
Пропускной режим р-n перехода:
При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.
Запирающий режим р-n перехода :
Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковые диоды
Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.
– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!
Слайд 17–21.
При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.
Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.
Слайд 22–25.
Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.
В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).
При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.
Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).
Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.
Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.
Слайд 26–29.
III. Первичное закрепление.
- Какие вещества называются полупроводниками?
- Какую проводимость называют электронной?
- Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
- О каких примесях теперь вам известно?
- В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
- В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
- Какие полупроводниковые приборы вам известны?
- Где и для чего используют полупроводниковые приборы?
IV. Закрепление изученного
- Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
- Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).
Стабилитроны и стабисторы Стабилитронами и стабисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. Работа стабисторов основана на использовании слабой зависимости прямой ветви ВАХ диода то тока, протекающего через него. ВАХ стабилитрона в прямом направлении практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения. УГО стабилитрона.
Основные параметры стабилитрона Основные параметры стабилитрона: номинальное напряжение стабилизации U ст.nom - падение напряжения на диоде при номинальном токе стабилизации I ст.nom ; допустимое отклонение напряжения стабилитрона от номинального значения U ст; минимальный ток стабилизации I ст.min ; максимальный ток стабилизации I ст.max. При превышении начинается тепловой пробой; минимальное напряжение стабилизации U ст.min ; максимальное напряжение стабилизации U ст.max ; дифференциальное сопротивления стабилитрона r д = (U ст.max - U ст.min) / (I ст.max - I ст.min);
Основные параметры стабилитрона температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKН) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды: TKН = U ст / (U ст.nom *T); максимальная мощность рассеивания P max.
Светодиод Светодиодом называется излучательный полупроводниковый прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световую. При подаче на р–n-переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция основных носителей заряда и их рекомбинация, при которой носители заряда исчезают. У многих полупроводников рекомбинация носит безизлучательный характер - энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке и превращается в тепло. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышьяка (As) и некоторых других материалов, рекомбинация является излучательной энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения фотонов.
Параметры светодиодов Основные параметры: прямое постоянное напряжение U пр при максимально допустимом прямом токе I пр.max ; максимально допустимый прямой ток I пр.max ; яркость свечения В диода при максимально допустимом прямом токе I пр.max ; полная мощность излучения P полн при прямом постоянном токе определенной величины; ширина диаграммы направленности светового излучения.
Характеристики светодиодов Основные характеристики светодиода спектральная и характеристика направленности. Спектральная характеристики определяет зависимость относительной яркости излучения от длины излучаемой волны при определенной температуре. Характеристика направленности определяет значение относительной интенсивности светового излучения в зависимости от направленности излучения.
Фотодиод Фотодиод представляет собой фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру p-n-перехода. При освещении p-n-перехода фотодиода, включенного в обратном направлении, увеличивается дополнительное число электронов и дырок. Возрастает количество неосновных носителей заряда, которые проходят через переход. Это приводит к увеличению тока в цепи. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника – вентильным. В большинстве случаев диод включают в обратном направлении.
Основные характеристики фотодиода Вольт-амперная характеристика I д = f (U) при Ф = const определяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при постоянной величине светового потока. При полном затемнении (Ф = 0) через фотодиод протекает темновой ток I тм. С ростом светового потока ток фотодиода увеличивается. Световая характеристика изображает зависимость тока фотодиода от величины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде: I д = f(Ф) при U д = const. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. Спектральная характеристика показывает зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего на фотодиод света.
Основные параметры фотодиода Основные параметры фотодиодов: интегральная чувствительность К отношение фототока диода к интенсивности падающего светового потока от стандартного источника (вольфрамовая лампа накаливания с цветовой температурой нити 2854 К); рабочее напряжение U p напряжение, прикладываемое к прибору в фотодиодном режиме. темповой ток I гм ток, протекающий в цепи диода при рабочем напряжении и отсутствии освещения. долговечность Т Д минимальный срок службы при нормальных условиях эксплуатации.
Применение фотодиодов Основные применения: устройства ввода и вывода ЭВМ; фотометрия; контроль источников света; измерение интенсивности освещения, прозрачности среды; автоматическое регулирование и контроль температуры и других параметров, изменение которых сопровождается изменением оптических свойств вещества или среды.
Диод Шотки Диод Шоттки это полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл - полупроводник. Рассмотрим работу контакта металл - полупроводник. Процессы при таком контакте зависят от работы выхода электронов. то есть от той энергии, которую электрон должен затратить, чтобы выйти из металла или полупроводника. Пусть А м
Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > А n. "> А n."> " title="Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > "> title="Диод Шотки Преобладает выход электронов из металла в полупроводник. В слое полупроводника накапливаются основные носители заряда (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление такого слоя мало при любом напряжении питания. Пусть А м > ">
Диод Шотки Электроны покидают полупроводник и в приграничном слое образуется область, обедненная основными носителями заряда и поэтому имеющая большое сопротивление. Создается потенциальный барьер, высота которого существенно зависит от полярности проложенного напряжения. Этот переход обладает выпрямляющими свойствами. Этот переход исследовал немецкий ученый Вальтер Шотки и он назван в его честь. Диоды на основе этого перехода имеет следующие преимущества в сравнении с диодами на p-n-переходе: высокое быстродействие, поскольку в металле, куда приходят электроны из полупроводника, отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных носителей; малое значение прямого падения напряжения (около 0.2 – 0.4В), что объясняется незначительным сопротивлением контакта металл-полупроводник.
