Запирающий слой – двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p-n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов.

Если к p-n переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы плюс источника был присоединен к электронной области (p), а минус – к дырочной (n), то полярности внешнего напряжения и контактной разности потенциалов совпадают.

Высота потенциального барьера возрастает, основные носителя заряда оттесняются внешним полем от границы перехода. Запирающий слой расширяется и его сопротивление увеличивается.

Под действием внешнего электрического поля указанной полярности электроны могут легко переходить из p области в n область, но в p области количество свободных электронов незначительно – оно обусловлено только собственной проводимостью полупроводника. С другой стороны, дырки легко могут переходить из n области в p область, но их количество в n области мало.

Через p-n переход потечет малый (обратный) ток, вызванный движением незначительного количества неосновных носителей заряда. Этот ток обусловлен собственной проводимостью полупроводника.

Напряжение указанной полярности называется обратным напряжением.

Если изменить полярность приложенного напряжения, то высота потенциального барьера уменьшится. Электроны в n области будут двигаться к границе, компенсируя положительные заряды доноров, а дырки в p области будут двигаться к границе, компенсируя отрицательные заряда акцепторов. Пограничные области обогащаются основными носителями заряда, запирающий слой сужается, его сопротивление уменьшается.

При уменьшении потенциального барьера большое количество избыточных электронов из n области под действием приложенного напряжения будет переходить в дырочную область. Аналогично дырки из p области будут переходить в электронную область. Через электронно-дырочный переход от p области к n области протекает большой ток, называемый прямым током.

Он создается движением большого количества основных носителей заряда, т.е. обусловлен примесной проводимостью.

Таким образом, переход между двумя полупроводниками с различного типа обладает односторонней проводимостью.

На рисунке показана вольтамперная характеристика такого перехода, из которой видным нелинейные свойства p-n-перехода.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной.

Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости.

Следовательно, полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается.

Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т.е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны.

Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Обратный ток в сильной мере зависит от температуры.

Падение напряжения в прямом направлении от температуры зависит слабо.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Следует различать электрический и тепловой пробой р-n-перехода.

Электрический пробой, области которого соответствует участок АБВ характеристики, является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа в режиме электрического пробоя допустима.

Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны - работают на участке БВ характеристики.

Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в р-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей.

Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима р-n-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды используются в современной технике для выпрямления переменного тока. В полупроводниковом диоде используется свойство p-n перехода.

На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р-типа положителен, ток свободно проходит через p-n переход. В следующую половину периода ток равен нулю.

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ путем сплавления полупроводников. Наибольшее распространение получили германиевые и кремниевые диоды.

В полупроводниковом германиевом диоде катодом служит германий, а анодом – индий.

Полупроводниковый диод имеет целый ряд преимуществ перед электронными двухэлектродными лампами (экономия энергии для получения системой тока, миниатюрность, высокая надежность, большой срок службы, не надо дополнительного источника для нити накаливания).

Недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работают (приблизительно от -70 до +125˚С).

ДОБАВИТЬ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Мостовая схема выпрямления

Получила наибольше распространение на практике.

Достоинством мостовой схемы является то, что ток течет через нагрузку в оба полупериода питающего напряжения.

Транзистор

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.

(англ. transfer – переносить, resistor – сопротивление)

Транзистор образует три слоя примесных полупроводников, два p-n (или n-p) перехода: эмиттер, база, коллектор.

Средняя, регулирующая силу тока в транзисторе, часть кристалла называется база и имеет очень малую толщину(10 мкм), крайние – эмиттер и коллектор.

В зависимости от чередования n и p-полупроводников различают n-p-n и p-n-p транзисторы.

Стрелка на условном изображении транзистора направлена по току основных носителей заряда между эмиттером и базой.

Если транзистор не включен в электрическую цепь, то на p-n-переходах образуются запирающие слои.

При включении n-p-n транзистора в цепь, на n-p-переход эмиттер-база подается небольшое прямое напряжение UБ, а на p-n-переход база-коллектор обратное напряжение UК.

При прямом включении напряжения UБЭ свободные электроны из эмиттера диффундируют в базу и благодаря ее малой толщине почти все достигают коллекторного перехода (IБ << IЭ)

Под действием положительного потенциала источника UКЭ электроны притягиваются к коллектору, так что через сопротивление нагрузки RН протекает ток IК ≈ IЭ.

Сила тока IК, протекающего через коллектор (и соответственно через сопротивление нагрузки) значительно превышает силу тока IБ через базу.

Сила тока, ответвляющегося в цепь базы из эмиттера, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости во много раз меньше сечения в вертикальной плоскости.

Небольшая сила тока через базу вызывает значительную силу тока в нагрузке, поэтому транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов.

Напряжение на сопротивлении нагрузки RН значительно превышает напряжение между базой и эмиттером:

UН = IКRН >> UБ

Сила тока в коллекторе практически равна силе тока в эмиттере и изменяется вместе с током эмиттера.

Сопротивление резистора RН мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим.

Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в цепь базы, получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление по напряжению.

Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность входного сигнала.

Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока

β =

Изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.

Обычные биполярные транзисторы изготавливают по сплавной технологии, что и полупроводниковые диоды.

Кроме биполярных широко используются так называемые полевые транзисторы, управление током в которых производится не управляющим током базы, а электрическим полем.

Недостатки транзисторов те же, что и полупроводниковых диодов. Они чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям.

Усилитель на транзисторе

Одной из наиболее распространенных схем усиления слабых электрических сигналов на транзисторе, является схема с общим эмиттером.

Эмиттер включен как в цепь базы, так и в цепь коллектора.

Небольшое изменение входного напряжения цепи база-эмиттер DUвх = DUБЭ вызывает значительное изменение выходного напряжения, или напряжения на сопротивлении нагрузки DUвых = DUн

Коэффициент усиления – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного:

k =

Коэффициент усиления подобных схем может быть порядка 1000.

Генератор на транзисторе

Электрические колебания высокой частоты получают с помощью генераторов на транзисторах.

Основным элементом такого генератора является колебательный контур и источник постоянного тока, включенные в цепь эмиттер-коллектор, катушка индуктивности Lсв в цепи база-эмиттер, индуктивно связанная с катушкой индуктивности L колебательного контура .

Собственные электромагнитные колебания в контуре являются затухающими. Если потери энергии в контуре компенсировать поступлением энергии от источника внутри системы, то возможна генерация незатухающих колебаний, или автоколебаний.

В показанной схеме генератора на транзисторе поступление энергии в контур (подзарядка конденсатора) происходит, когда между базой и эмиттером приложено напряжение в прямом направлении – плюс – к базе, минус – к эмиттеру, транзистор открыт и через него протекает ток.

Такая полярность напряжения UБЭ обеспечивается согласованной индуктивной связью катушек L контура и Lсв в цепи база-эмиттер. Подобная связь называется обратной связью (в данном случае – это положительная обратная связь) (См.выше Автоколебания)

Через полупериод колебаний, когда конденсатор перезарядится, произойдет изменение напряжения база-эмиттер на противоположное и транзистор закроется.

Транзистор подобен ключу, присоединяющему источник питания к колебательному контуру в нужный момент времени для подзарядки конденсатора. Момент открытия ключа определяется индуктивной связью катушек L и Lсв

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрический ток оказывает магнитное действие. Таким образом, магнитное поле порождается движущимися зарядами.

Вектор магнитной индукции – векторная физическая величина, направление которой в данной точке совпадает с направлением, указываемым в этой точке северным полюсом свободной магнитной стрелки.

Модуль вектора магнитной индукции – физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного опля на проводник с током, к произведению силы тока и длины отрезка проводника:

B =

Единица магнитной индукции – Тл (Тесла)

Правило буравчика для прямого тока:

если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Правило правой руки для прямого тока:

если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец вдоль тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора индукции в этой точке.

Принцип суперпозиции магнитных полей:

результирующая магнитная индукция в данной точке складывается из векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке.

Правило буравчика для витка с током (контурного тока):

если вращать буравчик по направлению тока в витке, то поступательное перемещение буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты: они не имеют ни начала, ни конца.

Магнитное поле – вихревое поле, т.е. поле с замкнутыми линиями магнитной индукции.

Магнитный поток (поток магнитной индукции) через поверхность определенной площади – физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:

Ф = () = В ∆S cos(a)

(Скалярное произведение двух векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними)

Единица магнитного потока – Вб(Вебер) = Тл*м2 = В*с

Закон Ампера:

сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и вектором магнитной индукции:

FA = B |I| l sin(a)

В однородном магнитном поле замкнутый контур стремиться установиться так, чтобы направление его собственной индукции совпало с направлением внешней индукции.

Сила Лоренца – сила, действующая на движущийся со скоростью v заряженную частицу со стороны магнитного поля индукцией В:

Fл = |q| vB sin(a),

где a – угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции B.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки:

если кисть левой руки расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительного заряда (или противоположное скорости отрицательного заряда), а вектор магнитной индукции входил в ладонь, то отогнутый на 90о большой палец покажет направление силы, действующей на данный заряд.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется вдоль этих линий.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, движется в этой плоскости по окружности.

Параллельно расположенные проводники, по которым протекают токи в одном направлении, притягиваются, а в противоположных – отталкиваются.

Магнитные поля, создаваемые токами, протекающими по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии r друг от друга, приводят к возникновению на каждом отрезке проводников длиной Dl силы взаимодействия:

F12 = F21 = km Dl

km = 2*10-7 Н/А2 коэффициент пропорциональности

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам ¥ длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Индукция магнитного поля убывает при увеличении расстояния до проводника с током.

Взаимодействие проводников с током является следствием магнитного взаимодействия движущихся зарядов в проводниках.

Под действием магнитной силы движущиеся параллельно в противоположных направлениях разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Индуктивность контура – физическая величина, равная коэффициенту пропорциональности между магнитным потоком через площадь, ограниченную контуром проводника, и силой тока в контуре.

Единица индуктивности – Гн(Генри)

Энергия магнитного поля, созданного при протекании тока I по проводнику с индуктивностью L:

Wm =

Магнитная проницаемость среды – физическая величина, показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается от магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля в вакууме:

μ =

Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики – основные классы веществ с резко отличающимися магнитными свойствами

Диамагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно ослабляется

Парамагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно усиливается

Ферромагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле значительно усиливается.

Кривая намагничивания – зависимость собственной магнитной индукции от индукции внешнего магнитного поля.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54