Материал для подготовки к экзамену по электротехнике (1092854), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

Основы промышленной электроники

Промышленная электроника является одним из важнейших разделов технической электроники, занимающейся изучением и практическим использованием электронных электровакуумных и полупроводниковых приборов и устройств в различных отраслях промышленности.

В промышленной электронике в зависимости от области практического применения можно выделить три направления:

1. Информационная электроника является основой электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники и устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства и системы, связанные с получением, обработкой, хранением, передачей и использованием информации, а также контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами;

2. Энергетическая (силовая) электроника занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств, связанных с преобразованием электрической энергии средней и большой мощности в системах электрического привода.

3. Электронная технология занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств в технологических процессах, основанных на использовании энергии электромагнитных волн, электронных и ионных излучений и др.

Современная промышленная электроника основана на широком применении полупроводниковых приборов, которые по сравнению с электровакуумными приборами обладают большими достоинствами: высокий коэффициент полезного действия, низкое энергопотребление, высокая надёжность и долговечность, незначительные габариты и масса.

ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

В большинстве полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы комбинированного полупроводника с двумя и более слоями (зонами), образованными примесными полупроводниками с различным типом проводимости, т. е. полупроводниками р и n - типа.

Область комбинированного полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы, разделяющей полупровод­ник на две части с разнотипной проводимостью ( p и n - зоны), называется электронно - дырочным переходом или р – п - переходом.

Электронно-дырочный переход (рис. 7) обычно получают вплавлением или диффузией соответствую­щих примесей в пластинку монокристалла чистого полупроводника. Электронно-дырочный переход представляет собой очень тонкий (не более де­сятых долей микрометра) слой, разделяющий р и n – полупроводники (р и n – зоны) и в отличие от примесных или чистых полупроводников обладающий свойством односторонней проводимости, на использовании которой основана работа полупроводниковых приборов.

Образование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентраций подвижных носителей заряда в электронной и дырочной областях (зонах) комбинированного р - n – полупроводника. В отсутствие внешнего электрического поля в зоне контакта полупроводников р и n – типа из-за разности концентраций подвижных носителей заряда в р и n - зонах происходит процесс диффузии основных носителей электрических заряда из зоны с повышенной концентрацией носителей в зону с по­ниженной концентрацией носителей заряда (диффузионный ток I _ДИФ), т. е. дырки, концентрация которых повышена в полупроводнике р – типа, диффундируют в n - зону, а электроны, концентрация которых повышена в полупроводнике n – типа - диффундиру­ют в р – зону. При встречном движении положительных (дырок) и отрицательных (электронов) носителей зарядов они взаимно нейтрализуются (рекомбинируют) и вблизи границы раздела полупроводников р и n – типа возникает область, обеднённая подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой).

Рис. 7. Структура электронно-дырочного перехода

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то в процессе диффузии произошло бы в конечном итоге полное выравниванию их концентраций по всему объ­ему кристалла. Однако в действительности этого не происходит, поскольку диффузионный ток через р и n - пере­ход приводит к нарушению баланса положительных и отрица­тельных зарядов и возникновению в запирающем слое электрического поля, препятствующего диффузии носителей зарядов. Уход электронов из n - зоны полупроводника приводит к тому, что их концентрация вблизи р и n - пере­хода уменьшается и здесь возникает не скомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси. В другой части полупроводника - в р – зоне - вследствие ухода дырок их концентрация вблизи р и n - пере­хода снижается и здесь возникает не скомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов кристаллической решётки.

Таким образом, в результате диффузии носителей заряда в запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов и на границе раздела полупроводников р и n – типа возникают два слоя противоположных по знаку зарядов, образованных неподвижными ионами кристаллической решётки: отрицательными в р - зоне, в положительными в n – зоне, т. е. возникает так называемый двойной электрический слой.

Этот двойной электрический слой (контактная разность потенциалов), образованный пространственными зарядами ионов кристаллической решётки, создает внутри запирающего слоя электри­ческое поле напряженностью E _ПЕР ( поле перехода или потенциальный барьер), направленное от n - зоны полупроводника к р – зоне, т. е. направленное навстречу диффузионному току. Под действием поля перехода возникает встречное движение неосновных носителей заряда через р – п - переход – дырок из n – зоны и электронов – из р – зоны, т. е. возникает так называемый дрейфовый ток I _ДР , направленный навстречу диф­фузионному току.

Разделение носителей заряда на диффундирующие и дрейфующие довольно условно, т.к. в действительности каждый носитель заряда в запирающем слое находится в движении под одновременным действием сил диффузии и внутреннего электрического поля перехода. Через некоторое время дрейфовый ток полностью компенсирует диффузионный и в области р – п - перехода наступает динамическое равновесие, когда результирующий ток через переход равен нулю

I = I _ДИФ - I _ДР = 0.

Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р – п - перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля.

Свойства электронно - дырочного перехода при наличии внешнего напряжения

Включение электронно - дырочного перехода в прямом направлении

Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в прямом направлении, т. е. так, что плюс приложен к р - слою, а минус к n – слою (рис. 8), то напря­жение внешнего электрического поля E_ВН практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из-за встречного направления внутреннего E _ПЕР и внешнего E_ВН полей результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер снижаются: E _РЕЗ = E _ПЕР - E_ВН .

Снижение потенциального барьера приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя, в результате чего возрастает количество основных носителей заряда, обладающих энергией, достаточной для преодоления р – п - перехода, а как следствие этого - увеличивается диффузионная со­ставляющая тока через переход. При этом дрейфовая составляющая тока практически остаётся постоянной, поскольку не зависит от приложенного напряже­ния, а определяется напряжением поля перехода E _ПЕР и количеством неосновных но­сителей заряда, концентрация которых в примесных полупроводниках по сравнению с основными носителями очень мала.

Поэтому при прямом включении р – п - перехода возникает результирующий ток - прямой ток, протекающий через переход в прямом направлении из р – зоны в п - зону: I _ПР = I _ДИФ - I _ДР > 0.

Рис. 8. Прямое включение электронно-дырочного перехода

Поскольку величина потенциального барьера р – п - перехода обычно составляет несколько десятых долей вольта, то даже небольшое прямое напряжение U _ПР (порядка десятых долей вольта), приложенное к р – п – переходу, вызывает появление большого прямого тока I_ПР , обусловленного высокой концентрацией основных носителей заряда – дырок в р – зоне и электронов в п - зоне и в зависимости от мощности полупроводникового прибора достигающего величины порядка сотен и тысяч ампер. В случае, если прямой ток превышает некоторое значение, допустимое по условиям теплового нагрева полупроводника, то вследствие повышенного тепловыделения происходит быстрый перегрев полупроводника и тепловое разрушение р – п – перехода.

Другими словами при прямом включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ПР = U _ПР / I_ПР очень мало (порядка десятых – сотых долей ома), поэтому им часто пренебрегают, принимая практически равным нулю (R _ПР ≈ 0) и в этом случае используют выражение « р – п – переход открыт ».

Включение электронно-дырочного перехода в обратном направлении

Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в обратном направлении, т. е. так, что плюс приложен к n - слою, а минус к p – слою (рис. 9), то в этом случае направления внутреннего E _ПЕР и внешнего E_ВН полей совпадают и результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер возрастают: E _РЕЗ = E _ПЕР + E_ВН .

При этом возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя, поэтому диффузия основных носителей заряда через переход становится практически невоз­можной и диффузионный ток через переход I _ДИФ = 0. В этом случае результирующий ток через переход будет определяться только дрейфовым током неосновных носителей заряда, протекающим в обратном направлении и называемым обратным током:

I _ОБР = I _ДР = I _ДИФ - I _ДР .

Рис. 9. Обратное включение электронно-дырочного перехода

Обратный ток I _ОБР , обусловленный движением неосновных носите­лей заряда (дырок из n – зоны в р – зону и электронов из р – зоны в n – зону) под действием возросшего поля перехода E _РЕЗ несколько увеличивается, однако даже при большом обратном напряжении U _ОБР (порядка сотен вольт) остаётся очень незначительным (порядка нескольких милли - микроампер), так как концентрации неосновных (собственных) носителей заряда в полу­проводнике - дырок в n – зоне и электронов в р – зоне очень малы.

Другими словами при обратном включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ОБР = U _ОБР / I_ОБР очень велико (порядка миллионов ом), поэтому часто его принимают практически равным бесконечности (R _ОБР ≈ ∞) и в этом случае используют выражение « р – п – переход закрыт ».

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)