Раздел 2.Полупроводниковые приборы

2.1 Полупроводниковые диоды

2.1.1 Классификация и конструкция диодов. Занятие 7.

В основе п/п диодов лежит ЭДП, созданный на монокристаллическом германии или кремнии. Степень очистки от примесей не ниже 10^-8%. Диоды имеют несимметричную структуру, т.е. концентрация основных носителей заряда в p и n-областях отличаются во много раз (основной носитель тот, концентрация которого преобладает в данном полупроводнике). Это приводит к значительному превышению диффузии неосновных носителей из сильнолегированной зоны в слаболегированную при прямом смещении, т.е. к увеличению прямого тока.

По соотношению площади объёмного заряда к его толщине диоды разделяют на плоскостные и точечные.

Конструкции различаются в зависимости от назначения. Условное обозначение.

Мощные диоды имеют корпус в виде винта с шестигранной головкой для завинчивания в радиаторы или токоведущие шины. Внутри корпуса имеется плоскостной переход, присоединенный с одной стороны к корпусу, с другой –к гибкому многожильному проводу с кабельным наконечником. Этот провод, как правило, подключается к плюсу (анод), на корпусе имеется маркировка направления тока (демонстрация).

Галетная конструкция рассчитана на плоскостной контакт.

Диоды малой и средней мощности оформляются в металлическом или пластмассовом корпусе с гибкими выводами или шпилькой для привинчивания к радиатору или токоподводу.

Диодные сборки. Выпрямительные мосты.

2.1.2 Характеристики и параметры диодов. Занятие 8

Вольтамперные характеристики диодов похожи на теоретические характеристики p-n-переходов. Небольшие отличия возникают добавочными падениями напряжений в материале полупроводника, поверхностной проводимости, сказывающейся при больших обратных напряжениях и др.

Диоды по выпрямленному току разделяются на: маломощные (выпрямленный ток до 300мА), средней мощности (0,3А< I_{вп ср}<10А), мощные (I_{вп ср}>10А).

Диапазон рабочих температур для кремниевых диодов выше, чем для германиевых (от -60⁰ до 120⁰…150⁰С).

Постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе.

Максимально допустимое обратное напряжение.

Средний выпрямленный ток.

Постоянный обратный ток при обратном напряжении.

Максимальная рассеиваемая мощность, рассеиваемая диодом.

Диоды, работающие на частотах до 300МГц, называются высокочастотными, более 300МГц—сверхвысокочастотными. Импульсные диоды—высокочастотные.

Чем больше частота, тем большее влияние оказывает емкость перехода. ВЧ-диоды—точечные.

Параметры. Ёмкость перехода при заданном обратном напряжении.

Макс. допустимое импульсное напряжение.

Макс. допустимый импульсный ток.

Время установления напряжения диода—время, за которое при подаче на диод прямого тока на нем установится прямое напряжение.

Время восстановления обратного сопротивления диода --время, прошедшее от момента прекращения прямого тока до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого обратного значения.

2.1.3 Разновидности диодов и их применение. Занятие 9.

По назначению и области применения: общего применения (выпрямительные; импульсные; высокочастотные; стабилитроны и ограничители напряжения);

специального назначения (варикапы, детекторы радиации, смесители, модуляторы и т.д.);

инжекционные диоды (светодиоды и индикаторы на их основе).

Выпрямительные—в цепях переменного тока частоты 50 Гц, иногда в цепях постоянного тока (например, для разделения полярности).

Импульсные и высокочастотные—в радиотехнических устройствах, автоматике, вычислительной технике.

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Они работают в обл. электрического пробоя. Изготавливаются на основе кремния. Если ЭДП будут созданы с обеих сторон кристалла, стабилитрон будет симметричным (двуханодным). Напряжение стабилизации от 1 до 1000В. Если нужно менее 1В, используют стабисторы (работают на прямой ветви ВАХ-0,7 В).

Варикапы—зависимость емкости перехода от обратного напряжения. Электрически управляемая емкость.

Туннельные и обращенные диоды. Туннельные диоды изготавливают на основе германия. За счет туннельного эффекта имеют на ВАХ впадину. Это создает такие возможности, как генерирование электрических колебаний, работу в переключающих схемах. Их достоинствами являются высокие частоты, малые шумы, малая зависимость от температуры.

Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных диодов. Их впадина настолько мала, что представляет собой горизонтальный участок. Их обратный ток значительно больше прямого. Работают на обратной ветви ВАХ. Малая инерционность позволяет им работать на СВЧ.

Занятие 10. Лабораторная работа№1 исследование полупроводниковых диодов.

2.2 Биполярные транзисторы

2.2.1 Устройство и принцип действия. Схемы включения транзистора .Занятие 11.

Т ранзистор представляет собой устройство, содержащее два ЭДП, образованные слоями n-p-n или p-n-p. Наибольшее распространение получили сплавные транзисторы на основе германия или кремния, чаще – кремния. Принципиальных отличий между транзисторами противоположной проводимости нет. На практике необходимы оба вида. Потому они и производятся. Более того: комплементарные транзисторы (разная проводимость, но полное соответствие друг другу). Средняя область транзистора называется базой, две крайних области—эмиттер (эмитирует, выделяет заряды) и коллектор (собирает заряды).

В ыпускается большое количество типов транзисторов, которые можно классифицировать по различным признакам: по типу электропроводности (pnp- npn); точечные и плоскостные; по рассеиваемой мощности –маломощные (p<0,3 Вт), средней мощности (0,3<p<3) Вт; мощные (p>3Вт). По максимальной рабочей частоте: низкочастотные (f<30МГц) ; высокочастотные (30<f<300МГц); сверхвысокочастотные (f>300МГц). По технологии изготовления (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные, планарно-эпитаксиальные и т.д.).

Существует три схемы включения транзистора (на рисунке показаны npn транзисторы). Показать обозначение напряжений (U_бэ)_.

Схема с общей базой а) соответствует левому предыд. рисунку. На рис. показано состояние электродов при отсутствии внешнего смещения. При наличии внешнего смещения эмиттерный переход смещается в прямом, коллекторный –в обратном направлении. Потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается, коллекторного повышается. На эмитттерном ЭДП электроны переходят в базу, дырки из базы—в эмиттер (так же, как в прямосмещенном диоде). Так как переход выполняется несимметричным, концентрация электронов в области эмиттера во много раз превышает концентрацию дырок в базе. Основной составляющей I_э являются электроны. В базе электроны движутся к коллектору за счет диффузии. Электрическое поле в области базы действует слабо поскольку в ней много дырок, ослабляющих действие поля. Электроны рекомбинируют с дырками, но часть их доходит до коллекторного перехода (база очень тонкая—не более 20 мкм). Т.к. коллекторный переход представляет собой обратносмещенный диод, то как в диоде, возникает обратный ток, который будет существовать даже при отключении эмиттерного напряжения. Эта составляющая неуправляема, но сильно зависит от температуры. Вторая составляющая коллекторного тока состоит из электронов, инжектированных из эмиттера и дошедших до коллектора. Они за счет поля коллекторного перехода попадают в эмиттер. Эту часть можно регулировать за счет внешнего источника за счет изменения эмиттерного тока.

В схеме с ОБ I_к ≈ I_{э .}Входное сопротивление мало, Применяется редко.

Схема с общим эмиттером б) наиболее распространена. Переход эмиттер-база включен с прямым смещением, а коллектор-база –с обратным. Однако есть возможность регулировать ток I_кэ изменением тока базы. Ток коллектора почти равен току эмиттера. Маленькие изменения тока базы могут привести к большим изменениям тока коллектора. Эта способность усиления тока характеризуется статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ β.

β =

В схеме с ОБ = 20…1000, но может достигать десятков тысяч для специальных транзисторов в ИС. В схеме с ОЭ сильно влияние температуры на свойства транзистора, особенно германиевого. Поэтому их область применения до 65…75⁰С. Для кремниевых—120…150⁰С.

В схеме с общим коллектором входным током является ток базы, а выходным –ток эмиттера. Часто используется в микросхемах.

2 .2.3 Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ. Занятие 12.

Статические характеристики позволяют качественно и количественно выбрать наилучший режим работы того или иного транзистора, выявить усилительные возможности и др. свойства. Входная статическая характеристика при U_вх=0 представляет собой прямую ветвь ВАХ эмиттерного ЭДП. При положительном напряжении коллектора характеристика смещается вправо. Смещение вправо объясняется увеличением падения напряжения на переходе КБ и усилением втягивающего действия перехода.

Выходные характеристики выражают зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер при постоянных токах базы. Выходная характеристика при нулевом токе базы (I_б=0) аналогична обратной ветви характеристики полупроводникового диода. У кремниевых транзисторов эта ветвь располагается значительно ниже, чем у германиевых, при одинаковых условиях. С увеличением тока базы характеристики сдвигаются вверх.

2.2.4 Работа транзистора с нагрузкой Занятие 13.

В цепь транзистора ( в эмиттерную или коллекторную) включается нагрузка. Наиболее простой случай, когда эта нагрузка активная. При наличии нагрузки напряжение U_кэ не остается постоянным:

U_к = U_кэ + I_к R_к

С оотношение показывает, что ток коллектора I_к зависит не только от тока базы, но и от напряжения U_кэ на коллекторном переходе.

I_к = - Uкэ 1)

З ависимость является линейной. Совмещение этой характеристики с выходной характеристикой позволяет построить зависимость I_к(I_б). На выходной характеристике строится прямая АВ, представляющая собой I_к=f(Uкэ) (ХХ).

Точка В соответствует Uкэ=0. В этом случае I_к = . (КЗ).

Точка А соответствует I_к=0. В этом случае U_к =U_кэ. Прямая АВ называется нагрузочной прямой. По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками можно построить зависимость I_к=f(I_б), позволяющую произвести соответствующий расчет. Эта линия называется динамической переходной характеристикой.

Положение точки В линии нагрузки зависит от R_к. При R_к=0, I_к = . Линия проходит вертикально из точки А. В этом случае динамическая переходная характеристика пройдет выше построенной и будет называться статической переходной характеристикой (Uкэ не меняется).

При R_к= I_к= , т.е. при увеличении R_к наклон прямой уменьшается, уменьшается и максимальное значение I_к.

Рабочая точка выбирается на нагрузочной прямой. Возможны три основные области работы транзистора.

Участок МN--активная область. Все линейные усилительные схемы работают в этой области. Транзистор работает при прямом смещении на эмиттерном и обратном смещении на коллекторном переходах. Для малого сигнала дифференциальный коэффициент усиления тока

β= ,

соответствующий наклону динамической переходной характеристики в рабочей точке. Для большого сигнала интегральный коэффициент усиления тока

В≈ ,

соответствующий наклону прямой, проходящей через рабочую точку и начало координат.

Область отсечки—область, лежащая ниже линии I_б = 0, т.е. базовый ток I_б должен быть отрицательным. В этом случае оба перехода транзистора работают при обратном смещении. Обратный ток коллекторного перехода скомпенсирован отрицательным напряжением на базе. Транзистор заперт. В кремниевых транзисторах этот ток практически равен нулю. Поэтому линия I_б = 0 проходит по оси координат. Транзисторы запираются при I_б = 0.

Область насыщения—характеризуется прямым смещением обоих переходов транзистора. Это состояние возникает при увеличении тока базы выше прямой ОМ. Ток базы в точке М называется критическим. Для насыщения используют ток базы в К раз больший критического. К называется коэффициентом насыщения. Обычно К=1.5…3.

Области отсечки и насыщения широко используются в импульсной технике, в том числе и в микросхемах. Режимы называют ключевыми. Важными параметрами ключевого режима является время нарастания тока коллектора и время рассасывания носителей заряда.

2.2.5 Зависимость параметров транзистора от различных факторов. Область применения. Занятие 14.

В связи с трудностью определения внутренних параметров транзистора (сопротивления эмиттера, базы, коллектора) пользуются системой h-параметров, возникающих из схемы замещения транзистора четырехполюсником.

U _вх =h₁₁I_вх + h₁₂U_вых

I_вых=h₂₁I_вх+h₂₂U_вых

h₁₁= при U_вых=0, входное сопротивление (Ом).

h₁₂= при I_вх=0, коэффициент обратной связи по напряжению.

h₂₁= при U_вых = 0, коэффициент прямой передачи по току.

h₂₂= при I_вх = 0, выходная проводимость (Ом^-1,сименс).

h-параметры называются малосигнальными параметрами , так как они справедливы при малых уровнях сигнала. Малосигнальные параметры однозначно определяются в конкретных точках статической характеристики. Например, входное сопротивление h₁₁ определяется наклоном входной характеристики. h₁₁ и h₂₁ можно определить при коротком замыкании выходной цепи. Входные и выходные величины представляются в виде приращений.

Сопротивления коллектора и эмиттера почти не зависят от приложенного напряжения, но обратно пропорциональны протекающим токам.

Наиболее заметно непостоянство коэффициента усиления β= , величина которого зависит от многих факторов (от напряжения на коллекторе. тока эмиттера, температуры) Из-за трудностей учета этих влияний в справочниках приводятся экспериментальные данные β(Т), β(I_э) и др..

С повышением частоты начинают сказываться влияния емкостей, а также конечное время перемещения носителей. Для мощных транзисторов частота снижается до 100…200 кГц. Германиевые транзисторы способны работать при более высоких частотах.

Максимальная мощность транзистора определяется максимальной мощностью рассеяния на коллекторе: маломощные (до 300 мВт), средней мощности (0, 3…5 Вт), большой мощности (свыше 5 Вт). Большая площадь коллекторного перехода. Радиаторы (увеличивают теплоотвод в 5…10 раз).

Силовые низкочастотные транзисторы (I_{к max} =40А, перспектива до400А; U_кб = 400В). Планарная технология (можно на одной подложке изготовить до 1000 шт.с минимальным разбросом параметров). Удобство монтажа, высокая механическая прочность, изоляция кристалла от внешних воздействий.

Занятие 15. Лабораторная работа №2. Исследование биполярных транзисторов.

2.3 Полевые транзисторы. Занятие 16.

2.3.1 Устройство и принцип действия. Разновидности полевых транзисторов.

В полевых транзисторах ток проходит по полупроводниковому каналу между двумя электродами (исток—сток), сопротивление которого изменяется напряжением на третьем электроде, называемым затвором.

По способу изготовления затвора ПТ делятся на три типа: с p-n-управляющим переходом (затвором); с металлопроводниковым затвором (затвором Шоттки); с изолированным затвором.

В полупроводнике n-типа методом диффузии образована p⁺-область (затвор). Между областями создается p-n-переход. Неосновных носителей (дырок--объемный заряд) в n-области значительно больше, чем в p -области. Одна часть n-полупроводника занята объемным зарядом, оставшуюся часть называют каналом. При отсутствии внешних напряжений ширина объемного заряда в канале невелика. При подаче на затвор отрицательного (относительно истока) напряжения (обратное смещение) ширина p-n-перехода увеличится, ширина канала уменьшится. Проводимость между И-С зависит от ширины канала. Проводимость канала увеличивается с увеличением отрицательного напряжения на затворе, т.е. проводимостью канала можно управлять напряжением на затворе. Напряжение U_си создает в канале ток, который управляется напряжением затвора.

Ток, текущий по каналу, вызывает на нем падение напряжения, которое вызывает изменение ширины канала. В области стока канал сужается больше (штриховая линия). При определенном напряжении U_си, называемым напряжением перекрытия или напряжением насыщения, канал перекрывается, т.е. ток почти не увеличивается при увеличении U_си.

Транзисторы с затвором металл-полупроводник (затвором Шоттки) имеют существенно меньшую длину канала (до 0,5…1мкм), что уменьшает все размеры ПТ. Они способны работать на более высоких частотах (до 80ГГц).

Транзисторы с изолированным затвором (металл-диэлектрик-полупроводник—МДП). Если в качестве диэлектрика применяется оксид кремния (ОКИСЕЛ) –МОП. МДП-транзисторы бывают двух разновидностей: с индуцированным и со встроенным каналом.

С индуцированным каналом—исток и сток—сильнолегированные области, встроенные в слой противоположной проводимости. Между затвором и каналом—диэлектрик. Напряжение U_си не вызывает тока (встречно включены два диода). При подаче на затвор достаточного напряжения, в канале индуцируются заряды, противоположные тем, что на затворе. Это соответствует увеличению толщины канала. Чем больше напряжение на затворе. тем больше ширина канала, т.е. проводимость.

В МДП-со встроенным каналом на стадии изготовления транзистора тонкий приповерхностный слой слабо легируется так, что он имеет тот же тип проводимости, что и И и С. Поэтому в таком транзисторе ток протекает даже при U_зи =0.

а, б — с n и p -затворами, с каналами p и n-типа.

в,г – с индуцированными каналами n и p-типа.

д, е – со встроенными каналами n и p-типа.

2.3.2 Характеристики и достоинства полевых транзисторов. Занятие 17.

На рис. показаны выходные характеристики и передаточные характеристики полевого транзистора с p-n-затвором и каналом n-типа.

Выходные характеристики представляют собой зависимость I_с =f(U_си) при U_зи= Сonst.

1 При U_си=0 I_с=0 при любых напряжениях U_зи.

2 При U_зи=0 рост U_си вызывает расширение канала, т.е. увеличение тока I_с. Проводимость растет пропорционально напряжению. По мере роста тока увеличивается падение напряжения на канале, которое приводит к увеличению области объемного заряда, т.е. уменьшению толщины канала и росту его сопротивления. При напряжении U_{си нас} (напряжение насыщения) ток почти перестает увеличиваться с ростом напряжения. Ток стока I_{с нач} при U_{си нас} и при U_зи=0 называют начальным током стока.

3 При подаче на затвор отрицательного напряжения сопротивление канала увеличивается, крутизна характеристики уменьшается, перекрытие канала происходит при меньшем напряжении U_си.

Точки на характеристиках U_{си нас}, при которых происходит перекрытие канала, отделяют область крутых характеристик от области пологих характеристик. Левая часть соответствует изменению сопротивления в зависимости от напряжения затвора. Ее можно представить как регулируемое сопротивление. Поэтому крутая часть называется омической. В омической области регулирование осуществляется в виде включения последовательно (или параллельно) с нагрузкой регулируемого сопротивления.

Для усиления сигнала работа ПТ происходит в пологой области (области насыщения).

Регулирование осуществляется подачей отрицательного напряжения U_зи (относительно истока).

Для каналов p-типа характеристики идентичны.

Передаточные характеристики представляют собой зависимость I_c =f(Uзи) при U_си= Сonst. Они снимаются для области насыщения. При U_зи=0 ток соответствует I_{с нач}. При увеличении абсолютной величины U_зи I_с уменьшается. Когда станет I_с=0, напряжение затвора называется напряжением отсечки (U_{зи отс}). Передаточные характеристики можно построить с помощью выходных характеристик.

Полевые транзисторы обладают высокими температурами характеристиками, более стабильными качествами при росте температуры. Важным качеством является потенциальное управление (входное сопротивление от 10⁹ до 10¹³Ом). Высокая радиационная стойкость. Простота изготовления, малые размеры электродов.

Основной схемой включения является схема с ОИ, позволяющая получить высокие коэффициенты усиления как по току, так и по напряжению. Они используются в усилителях с большим входным сопротивлением, ключевых и логических схемах, в аттенюаторах (в качестве регулируемого сопротивления).

Занятие 18. Лабораторная работа № 3. Исследование полевых транзисторов.

2.4 Тиристоры.

2.4.1 Устройство, принцип действия, характеристики. Занятие 19.

Основу тиристора представляет многослойная структура с чередующимися слоями p и n-проводимости. Для анализа работы тиристора к аноду подключается плюс источника питания, к катоду –минус. В цепи установлено сопротивление R_а для ограничения тока. Цепь у правления подключается к одному из внутренних слоев. При этом управление будет разной полярности. Возможны тиристоры без цепи управления. В схеме это соответствует разомкнутому ключу S. Они называются динисторы. Процессы в динисторе происходят следующим образом. В переходах 1 и 3 внешнее напряжение соответствует прямому включению, в переходе 2—обратному включению. Ток через тиристор является током обратно смещенного перехода 2, вызванным перемещением неосновных носителей заряда. Почти все внешнее напряжение приложено к этому переходу, ток почти не растет с ростом напряжения U_a (участок 1 на ВАХ тиристора при U_упр=0). При дальнейшем возрастании напряжения происходит лавинный пробой перехода 2. Сопротивление тиристора (динистора) почти равно нулю, напряжение падает на сопротивлении R_а (участок 2, показан штриховой линией). При дальнейшем повышении напряжения (участок 3) ток растет почти линейно (I_а= поскольку прямое напряжение на тиристоре не превышает 0,8…1,5 В). Для участка 2 характерна неустойчивая работа, т.к. для поддержания лавинообразования необходим ток, больший некоторого значения I_уд (ток удержания). Величина тока удержания не превышает 1% от анодного тока. Динисторы применяются в автоматике как ключевые элементы или приборы экстремального действия с включением анодной цепи.

Работа в качестве управляемого вентиля (тринистора) происходит при использовании управляющего электрода, с помощью которого понижается потенциальный барьер обратносмещенного перехода 2.Управляющий электрод можно присоединить либо к p-участку, либо к n-участку (полярности должны быть разными). Меняя напряжение на управляющем электроде, можно в широких пределах изменять напряжение переключения. При некотором токе управления (обычно не более 300мА) ВАХ работает на прямом участке от нуля до участка 3. На этом основано фазовое управление: при определенной фазе с управляющего электрода подается импульс тока, тиристор открывается и находится в открытом состоянии до тех пор, пока ток не упадет до тока I_уд.

При подаче обратного напряжения переход 2 работает в прямом направлении, переходы 1 и 3—в обратном. Так как управления по переходам 1 и 3 нет, тиристор не пропускает тока обратного напряжения.

Для получения симметричных характеристик (симисторы) применяют пятислойные структуры.

2.4.2 Типы тиристоров. (обозначение). Занятие 20.

Промышленностью выпускается множество типов широкого и специального назначения (до тысяч А и нескольких тыс. В)

Выпускаются как в металлических, так и в пластмассовых корпусах. Тиристоры малой мощности (до 10А) используют в ИП, бытовой аппаратуре, устройствах защиты, автоматике.

Быстродействующие (время выключения до 50 мкс),

высокочастотные ( до 20 кГц),

импульсные (со скоростью нарастания тока до 1000 ).

Фототиристоры- тиристоры, включаемые световым потоком. Для этого в корпус встроено прозрачное окно, через которое световой поток может воздействовать на управляемый p-n-переход. Удобно их использовать путем освещения лучом лазера.

Оптронные тиристоры- управление с помощью оптрона. Отсутствие гальванической связи между цепью управления и силовой цепью позволяет увеличить надежность, использовать интегральные схемы и проч.

Двухоперационные ( запираемые) тиристоры позволяют разрывать анодный ток путем подачи на управляемый электрод импульса обратной полярности. Их применение ограничено энергетическими показателями: низкий КПД, повышенное прямое падение напряжения, большая величина тока выключения, усложнение схем управления.

Т иристоры—пятислойная структура, с четырьмя переходами, которую можно считать комбинацией двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, но управляемых только по одному электроду. Это определяет выгодность использования их в цепях переменного тока. Графические обозначения тиристоров: а—динистор, б—тринистор с управлением по аноду, в—тринистор с управлением по катоду, г—симметричный динистор, д—симметричный тринистор.

Занятие 21.Лабораторная работа №4. Исследование тиристоров.

2.5 Полупроводникоые беспереходные и оптоэлектронные приборы.

2.5.1 Терморезисторы. Занятие 22.

Сопротивление терморезисторов существенно зависит от температуры. Температура может изменяться как окружающей средой, так и током, проходящим через терморезистор. Терморезисторы подразделяются на термисторы (сопротивление уменьшается с увеличением температуры) и позисторы (сопротивление увеличивается с увеличением температуры). Материалом для них служат полупроводники. Уменьшение сопротивления термисторов объясняется увеличением концентрации носителей заряда за счет ионизации примесных и собственных атомов при увеличении температуры и увеличением их подвижности.

Позисторы изготавливают из монокристаллических полупроводников. При увеличении температуры увеличиваются колебания атомов кристаллической решетки, а подвижность носителей заряда уменьшается.

Конструктивно терморезисторы изготавливаются в виде стержней, цилиндров, дисков, пластин, бусинок. Для защиты от атмосферных воздействий их помещают в герметичный корпус или покрывают влагостойкой эмалью.

Различают терморезисторы прямого и косвенного нагрева. В первых нагрев осуществляется за счет температуры окружающей среды или током, протекающим через терморезистор. Во вторых резистивный элемент изолирован от нагревателя, имеющего собственную электрическую цепь. Приборы косвенного подогрева называют управляемыми, т.к. меняя температуру резистора, можно менять его сопротивление.

Основные характеристики. 1. Температурная характеристика: зависимость R(T). Для термисторов спадающая кривая, для позисторов –возрастающая (обе близки к линейным).

2. ТКС (α). R= R₀(1+ αΔT). R-R₀= R₀ αΔT. α = –относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус. R₀ задается при комнатной температуре. Для термисторов α = --(0,8…6)К^-1.

3.Статическая вольт-амперная характеристика U(I) устанавливается при заданной температуре.

4. Допустимая мощность рассеяния (как для резисторов). Макс.допустимая температура.

Используются в высокочувствительных измерительных схемах. Болометры (терморезистивный слой выполнен в виде пластинок) используются для измерения излучения. Применяются для измерения скорости и расхода газообразных и жидких веществ, состава газовой смеси и т.п.

2.5.2 Фоторезисторы. Занятие 23.

В фоторезисторах сопротивление меняется под воздействием света. В основе лежит внутренний фотоэффект, при котором за счет энергии света электроны и дырки переходят в зону проводимости.

Конструктивно фоторезистор представляет собой диэлектрическую пластину (стекло, керамика), на которую методом вакуумного напыления или химического осаждения нанесен слой фоточувствительного материала. Фоточувствительный слой может быть выполнен в виде тонкой пластинки или быть спрессованным (сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца). Форма и размеры рабочей площадки обусловлены характером применения прибора. Могут быть фоторезисторы повышенной мощности для работы с большими токами.

Характеристики фоторезисторов.

1.Вольт-амперные характеристики I(U) при постоянной освещенности. Эти характеристики близки к линейным, исходят из начала координат и имеют разную крутизну в зависимости от освещенности. Ниже всех проходит характеристика при отсутствии освещения (характеристика темнового тока).

2.Световая характеристика представляет собой зависимость фототока от освещенности I_ф(Е) –нелинейная характеристика.

3. Спектральная характеристика I_ф(λ) имеет явновыраженный максимум.

Достоинства фоторезисторов заключаются в высокой чувствительности возможности применения в цепях постоянного и переменного тока, малых размеров. Недостатки—относительно большая инерционность (постоянная времени от десятков мкс до десятков мс). зависимости параметров от температуры и времени.

Применяются для измерения светового потока, освещенности, запыленности, контроля размеров и колич. деталей и т.д.

2.5.3 Светодиоды. Фотодиоды. Оптроны. Занятие 24.

Светодиоды относятся к светоизлучающим приборам, которые подразделяются на группы: светодиоды, лазеры, электролюминесцентные излучатели. Эти приборы содержат ЭДП и относятся к фотогальваническим элементам.

Полупроводники в светодиодах подобраны так, что если светодиод включить в прямом направлении, то инжектируемые подвижные носители заряда интенсивно рекомбинируют в прилегающих к ЭДП областях и в самом ЭДП. Носители переходят на более низкие энергетические уровни. Освобождающаяся энергия выделяется в виде тепла и света. К таким полупроводникам относятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния и др. Цвет излучения зависит от материала примесей. Для увеличения светового потока поверхность ЭДП выполняют в виде полусферы. Созданы светодиоды меняющегося цвета, которые имеют два ЭДП,один из которых светится красным, второй зеленым цветами. Меняя токи через ЭДП, т.е. меняя интенсивность свечения каждого из них, получают различные оттенки цветов (АЛС331А). Ток ЭДП обычно не превышает 20 мА. Цифрознаковые индикаторы (светодиодные матрицы).

В фотодиодах используется зависимость обратного тока ЭДП от освещенности. Фотодиоды могут использоваться в фотогальваническом и фотодиодном режимах. Фотогальванический эффект заключается в том, что в освещенном p-n-переходе часть валентных электронов получает энергию достаточную для их перехода зону проводимости. В обеих областях ЭДП в озрастает количество основных и неосновных носителей. Возникает фото-ЭДС, которую можно использовать в качестве энергии (солнечные батареи). Фото-ЭДС у селеновых и кремниевых фотодиодов составляет 0,5…0,6 В, а у арсенидогаллиевых—до 0,87 В.

При работе в фотодиодном режиме на фотодиод подается обратная полярность и фототок является функцией освещенности. Фототок зависит от сопротивления нагрузки и напряжения внешнего источника.

Преимущество фотодиодов перед фоторезисторами заключается в в более высоком быстродействии (в 100 и более раз).

Фототранзисторы имеют структуру транзистора и потому обеспечивают усиление. Обычно ФТ включается по схеме с ОЭ. Через его коллекторный переход при отсутствии освещения проходит темновой ток. При освещении базы в ней происходит генерация дополнительных электронов и дырок. Дырки диффундируют и втягиваются полем коллекторного перехода в коллектор. Электроны снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода. увеличивая ток коллектора. Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами обладают большими токами. Полевые фототранзисторы обладают большими токами, быстродействием. полосой пропускания.

Оптроны (оптопары): светодиод—фотодиод; светодиод—фототранзистор; фотодиод—фоторезистор; фотодиод—фототиристор. Важной особенностью оптронов является усиление по току, напряжению и мощности. Основное применение—развязка электрических цепей.

Занятие 25. Лабораторная работа №5. Исследование фотоприборов.