1.4 Полупроводникови резистори
Както следва от горното, полупроводниците са специален клас вещества с редица уникални електрофизични свойства. На базата на полупроводникови материали са разработени множество електронни устройства, които са елементната база на съвременните радиоелектронни и информационни системи. Най-простите полупроводникови устройства, чийто принцип на работа се основава на уникалните електрофизични свойства на полупроводника
vodnikov санелинейни полупроводникови резистори.
Полупроводниковите резистори са устройства, чийто принцип на работа се основава на свойствата на полупроводниците да променят съпротивлението си под въздействието на температура, електромагнитно излъчване, приложено напрежение и други фактори. Помислете за трите най-често срещани вида полупроводникови резистори.
Термисторъте полупроводников нелинеен резистор, чието съпротивление се променя значително с температурата. Термисторът е направен под формата на перла, диск, цилиндричен прът, плоска шайба. В някои конструкции термисторът се поставя в метален или стъклен запечатан контейнер.
Термисторите с отрицателен температурен коефициент на съпротивление се наричат термистори. Те са намерили широко приложение в радиоелектронното оборудване за различни цели.
Най-важнитепараметри на термисторитеса:устойчивост на студ–термична устойчивост
мистор при околна температура 20 °C;Температурен коефициент на съпротивлениеTKC, изразяващ промяната в съпротивлението на термистора за 1°C като процент;Макс работитемпература–температура, при която характеристиките на термистора остават стабилни по време на определения срок на експлоатация;максимална разсейвана мощност–мощност, при която термисторът, когато тече ток, се нагрява до максимална работна температура;Топлинен капацитет H–Количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на термистора
с 1 °C;коефициент на разсейванеb–мощност, разсейвана от термистора, когато температурната разлика между термистора и околната среда е 1 °C;времева константаτ е времето, през което температурата на термистора става равна на 63 °C, когато се премести от среда с температура 20 °C в среда с температура 100 °C. Времевата константа се определя като отношението на топлинния капацитет към коефициента на разсейване: τ =Н/b.
В устройствата на промишлената електроника термисторите се използват широко за измерване и контрол на температурата, термична компенсация на различни елементи на електрически вериги, работещи в широк температурен диапазон, стабилизиране на напрежението в AC и DC вериги, както и регулируеми безконтактни резистори в автоматизирани вериги.
редица специални устройства се използват така нареченитеполупроводникови болометри, състоящи се от два термистори. Единият от термисторите (активен) е пряко изложен на контролирания фактор (радиационна температура), а другият (компенсационен) служи за компенсиране на влиянието на околната температура.
PTC резисторитеса полупроводникови термистори с положителен температурен коефициент на съпротивление. Те използват бариев титанат със специални примеси като полупроводник, чието съпротивление се увеличавакогато температурата се повиши.
Що се отнася до термисторите с отрицателен TCC, за позисторите основните характеристики са ток-напрежение и температура.Параметрите на термисторитеса подобни на тези на термисторите с
Варисторъте полупроводников резистор
чието съпротивление зависи от приложеното напрежение. пример-
Текущият изглед на характеристиката ток-напрежение на варистора е показан на фиг. 2.
Симетрията на характеристиката позволява използването на варистор в
както DC, така и AC вериги.
Основнитепараметри на варисторитеса:статичен ко-
съпротивлениепри постоянно напрежение и токRst =U/I;
динамично съпротивлениена променлив токRd = ∆U/ ∆I;фактор-
фактор на нелинейност –съотношение на статично съпротивление към динамично
микрофон в дадена точка на характеристикаp=Rst /Rd;най-великият am-
n
Въз основа на последните два параметъра се избира работното напрежение на варистора. В схемите на промишлената електроника варисторите се използват за регулиране на електрически величини, стабилизиране на токове и напрежения и защита на устройства и елементи на веригата от пренапрежения.Фоторезисторъте полупроводниково устройство, чието електрическо съпротивление се променя под въздействието на електромагнитно излъчване във видимата, както и в инфрачервената и ултравиолетовата част на спектъра. Материалът за производството на фоторезистори обикновено са сулфиди и селениди на олово и кадмий. Нанесен е светлочувствителен проводящ полупроводников слойстъклена плоча с метални електроди и поставена в пластмасова или
метална каса с витрина от фото стъкло.
При липса на светлинен поток съпротивлението на фоторезистора, нареченотъмноRтъмно, е много голямо (в първото приближениеRтъмно → ∞), докато малъктъмен токIтъмно протича през фоторезистора, включен във веригата. Под въздействието на светлинен поток съпротивлението на фоторезистора пада исветлинен токISt. Разликата между светлите и тъмните течения се нарича
С увеличаване на светлинния поток част от електроните на проводимостта се сблъскват с атоми, йонизират ги и създават допълнителен електронен поток - така наречениятвторичен фототок проводим
За да изберете типа и режима на работа на фоторезистора, се използват редица характеристики:
характеристика на напрежението -зависимост на фототока (или тъмния ток) от приложеното напрежение при постоянен светлинен поток;
светлинна характеристика -зависимост на фототока от падащия светлинен поток с постоянен спектрален състав;
спектрална характеристика -зависимост на чувствителността на фоторезистора от дължината на вълната на светлинното излъчване;
Основнитепараметри на фоторезисторите, заедно с по-горе споменатите тъмно съпротивление, тъмни и светли токове, включватработно напрежение–максималното възможно напрежение, което не води до промяна на други параметри на фоторезистора през целия експлоатационен живот идопустима мощност на разсейване -максималната мощност, разсейвана върху фоторезистора, без да го повреди, както и някои други параметри.
Каква е кристалната структура на основните полупроводници, използвани в електрониката?
каксъздава електрическа проводимост в полупроводникови кристали?
Какви устройства се наричат полупроводникови резистори?
Кои са най-важните характеристики на термисторите?
Каква е разликата между термистори и позистори?
Какви устройства се наричат полупроводникови болометри?
Какви устройства се наричат варистори?
Какви са характеристиките на варисторите?
Какви са основните приложения на варисторите?
На какво явление се основава принципът на работа на фоторезистора?
Модул 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ДИОДИ
Преход електрон-дупка при липса на външно напрежение
Електронно дупково съединение, илиp-p-преход,–за кратко, е тънък преходен слой в полупроводников материал на границата между две области с различни видове електрическа проводимост: едната еn-тип, другата еp-тип.
Електронно-дупковият преход, поради специалните си свойства, е основният елемент на много полупроводникови устройства и интегрални схеми. Наред с преходитеp-nв полупроводниковата технология се използват и други видове електрически преходи, например метал-полупроводник, както и преходи между две области на полупроводник от същия тип, които се различават по концентрация на примеси и следователно по специфични стойности на проводимост.
Преход електрон-дупка се получава в единичен полупроводников кристал чрез въвеждане на донорен примес в една област и акцепторен примес в друга. Примесните атоми при стайна температура са напълно йонизирани. В същото време акцепторните атоми, прикрепили към себе си електрони, създават дупки (получава сеp-областта), а донорните атоми отдават електрони, които се освобождават (създава сеn-областта) (фиг. 3,a).
За простота приемаме, че концентрациите на основните носители на заряд в двата региона са еднакви. Такъвp-n-преход се наричасиметричен:nn=np.
Във всеки регион, в допълнение към основните носители на заряд, има незначителни носители, чиято концентрация е много по-ниска от основните. Наличието на малцинствени носители се определя от генерирането на двойки електрон-дупка, когато ковалентната връзка се разкъса. Едни и същи носители на заряд в една област са основни, а в друга - второстепенни, така че има много повече дупки вp-областта, отколкото вn-областта, и обратното, има много повече електрони вn-областта, отколкото вp-областта.
Разликата в концентрацията води до дифузия на повечето носители на заряд през границата между двата региона. Дупките дифундират отp-областта къмn-областта, а електроните дифундират отn-областта къмp-областта. Попадайки вn-региона, дупките се рекомбинират с електрони и докато се придвижват по-дълбоко в концентрацията на дупките намалява. По същия начин електроните, навлизайки по-дълбоко вp-областта, постепенно се рекомбинират там с дупки и концентрацията им намалява (фиг. 3,b).
Фиг. 3 Преход електрон-дупка при липса на външно напрежение:
– структура наp-n-преход;b– разпределение на концентрацията на носители на заряд на сечението;p- и
– потенциална бариера вp-n-прехода
Дифузията на основните носители на заряд през интерфейснитеp- иn-области създава дифузионен ток вp-n-прехода, равен на сумата от токовете на електрони и дупки:
Посоката на дифузионния ток съвпада с посоката на дифузия на дупките.
Излитане на основните носители на заряд от слоевете в близост до границата към съседния регионоставя в тези слоеве некомпенсиран фиксиран пространствен заряд на йонизирани примесни атоми: изходът на електрони е положителният заряд на донорните йони вn-областта, а изходът на дупките е отрицателният заряд на акцепторните йони вp-областта (фиг. 3,а). Тези неподвижни заряди също се увеличават поради рекомбинацията на основните носители на заряд с носители на заряд с противоположен знак, които идват от съседния регион.
В резултат на образуването от двете страни на границата междуp- иn-области на фиксирани заряди с противоположни знаци, се създава вътрешно електрическо поле вp-n-прехода, насочен отn-областта къмp-областта. Това поле предотвратява по-нататъшната дифузия на основните носители на заряд през границата, като за тях е така нареченатапотенциална бариера.Неговото действие се определя отвисочината на потенциалната бариера(фиг. 3,c). В резултат на появата на потенциална бариера, дифузия
токът намалява. Преодоляването на потенциалната бариера е възможно само за мажоритарни носители с достатъчно висока енергия.
Слоят, образуван от участъци от двете страни на границата, където се появяват неподвижни заряди с противоположни знаци, е преходен слой и всъщност еp-n-преход. Този слой, от който излизат мобилните носители на заряд, се наричаобеднен слойТой има голямо съпротивление.
Потенциалната бариера, намаляваща дифузията на основните носители на заряд, в същото време насърчава прехода през границата на малцинствените носители. Извършвайки термично хаотично движение, незначителните носители на заряд попадат в зоната на действие на електрическото поле и се пренасят от него презp-nпрехода. Движението на малцинствените носители на заряд под действието навътрешното електрическо поле създава дрейфов ток вp-nпрехода, равен на сумата от компонентите на електроните и дупките:
Токът, създаден от малцинствени носители на заряд, е много малък, тъй като техният брой е малък. Този ток се наричатермичен токIm, тъй като броят на незначителните носители на заряд зависи от присъщата електрическа проводимост на полупроводника, т.е. от разрушаването на ковалентните връзки под действието на топлинна енергия. Посоката на дрейфовия ток е противоположна на дифузионния ток.
При липса на външно напрежение се установява динамично равновесие, при което намаляващият дифузионен ток става равен на дрейфовия ток:Idiff= Idr, т.е. токът презp-nпрехода е нула. Това съответства на определена височина на потенциалната бариера φ0.
Установената височина на потенциалната бариера φ0 в електронволтове е числено равна на контактната потенциална разликаUk във волтове, създадена между некомпенсирани фиксирани заряди с противоположни знаци от двете страни на границата: φ0= Uk.
В състояние на равновесиер-n-преходът също се характеризира с ширинаd0.
Стойността на φ0 зависи основно от полупроводниковия материал, както и от температурата и концентрацията на примеси. С повишаване на температурата височината на потенциалната бариера намалява донякъде. При стайна температура за германий φ0 ≈ 0,2. 0,3 V, за силиций φ0 ≈ 0,6. 0,8 V