ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И УГЛА СДВИГА ФАЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ. 2 страница

1.1.6. Сопротивление  и индуктивность  вычисляются с ис­пользованием формул

Поэтому измерения являются косвенными, осуществляемыми по методу непосредственной оценки.

1.1.7. В данной схеме измеряемое напряжение  сравнивается с опор­ным (образцовой мерой). Поэтому измерения являются прямыми, осуществляемыми по методу сравнения.

1.1.10. Измеряемое сопротивление  вычисляется по формуле . Поэтому измерения являются косвенными, осуществляемыми по методу сравнения.

1.2. 1 Электродинамический фазометр выполнен по логометрической схеме, достоинством которой является действие одного и того же напря­жения на две подвижные катушки (см.§ 1.6).

1.3.2. Токи  и распределяются обратно пропорционально полным сопротивлениям ветвей (см. рис. 1.49). Параметры ветвей подобраны так, что при средней частоте диапазона токи равны и указатель показывает среднее значение частоты. Другим значениям  соответствуют свои зна­чения токов  и и углы отклонения подвижной части.

Глава вторая

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И НТЕГРАЛЬНЫЕМИКРОСХЕМЫ

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

Электроника — область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, элек­трические характеристики и параметры этих приборов, а также свой­ства устройств и систем с их использованием.

Примерно до 50-х годов в устройствах электроники (усилителях, генераторах, выпрямителях и т.д) в качестве основного элемента при­меняли электронные лампы, возможности которых были весьма огра­ничены большим потреблением энергии, значительными габаритами и массой, небольшим сроком службы, что в свою очередь сказыва­лось на характеристиках и надежности самих устройств Это привело к разработке электронных приборов с другим принципом действия, которые по своим функциональным возможностям могли бы заме­нить электронные лампы. Ими стали экономичные и надежные полу­проводниковые приборы, имеющие малую массу, высокий КПД и очень большой срок службы.

В настоящее время устройства с использованием электронных по­лупроводниковых приборов нашли исключительно широкое приме­нение практически во всех областях науки и техники, электроэнергетике, медицине, быту Они используются для автоматического управ­ления различными объектами и технологическими процессами, в сис­темах получения, передачи, обработки, хранения и использования ин­формации, в бытовой радиоэлектронной аппаратуре и т.д.

Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточ­ное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электри­ческое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10^-3 — 10¹⁰ Ом см В качестве полупроводниковых веществ используются кремнии, германий (элементы IV группы перио­дической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др.

Электропроводность чистых однородных полупроводников при темпе­ратуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена попарным образова­нием (генерацией) свободных носителей заряда — электронов и дырок.

При сообщении полупроводнику определенной энергии один из элек­тронов вырывается из узла связи кристаллической решетки и становится свободным, а освободившееся в узле решетки место приобретает положи­тельный заряд, равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической решетки получило название дырки. Наряду с гене­рацией носителей заряда при их хаотичном движении происходит про­цесс рекомбинации — воссоединение (исчезновение) пары носителей за­ряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается дина­мическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар, и при неизменной температуре общее количество свободных носите­лей заряда остается постоянным

При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля движение свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки дви­жутся во взаимно противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля. Электропроводность чистого полупроводника назы­вается собственной.

При обычных температурах количество свободных электронов и ды­рок в чистом полупроводнике невелико и составляет 10¹⁶— 10¹⁸ в 1 см³вещества. Такой полупроводник по своим электрическим свойствам при­ближается к диэлектрикам.

Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при введении в них определенных примесей. В качестве примесей ис­пользуют элементы III и V групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент IV группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток свободных элек­тронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается,, в нем будет преобладать электронная электропроводность, а сам ттолупроводник называют полупроводником /?-типа. Носители заряда, концентрация которых выше (в данном случае это электроны), называются основными носителями, а с меньшей кон­центрацией (дырки) — неосновными.

Введение атомов примеси элементов III группы (например, индия) создает дырочную электропроводность, в результате чего образуется по­лупроводник p-типа, здесь дырки — основные носители заряда, а элек­троны — неосновные. Примеси элементов V группы называют донорными, а примеси элементов III группы — акцепторными.

На практике важное значение имеет область на границе соприкоснове­ния двух полупроводников р-и n-типа. Эта область называется электрон­но-дырочным переходом, или р-п -переходом. Такой р-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной примеси. Например, при введении донорной примеси в определённую часть полупроводникар-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, гра­ничащая с полупроводником p-типа.

На основе использования полупроводниковых материалов с различ­ном типом электропроводности создают полупроводниковые диода, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупро­водника, равномерно легированного примесями, изготавливают полу­проводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструк­ции получают линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляю­щих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморе­зисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное поле (магниторезисторы) и др.

2.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом и двумя выводами.

В основе работы полупроводникового диода лежат электрические свойства р-n-перехода, который создается технологически при изго­товлении диода.

Рассмотрим схематически образование р-n-перехода при соприкос­новении двух полупроводников с различными типами электропро­водности (рис. 2.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равно­мерно (см.рис. 2.1,а).

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое проис­ходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уров­ни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи гра­ницы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим со­противлением, — так называемый запирающий слой (см.рис.2.1.б), тол­щина l которого обычно не превышает нескольких микрометров.

Рис. 2.1 Образование p-n-перехода

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер)  на границе полупроводников (см.рис.2.1,в). Возникшая разность потен­циалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствую­щее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупро­водникр-типа, так и переходу дырок из полупроводникаn-типа в полупроводник p-типа. В то же время электроны могут свободно дви­гаться из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа, точно так же как дырки из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует дви­жению основных носителей заряда и не препятствует движению неос­новных носителей заряда. Однако при движении через р-n-переход неосновных носителей заряда (так называемый дрейфовый ток обусловленный градиентом электрического поля) происходит сниже­ние контактной разности потенциалов , что позволяет некоторой части основных носителей заряда, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной раз­ностью потенциалов . Появляется диффузионный ток , обус­ловленный градиентом концентрации, который направлен навстречу дрейфовому току . Таким образом устанавливается динамическое равновесие, при котором .

Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле E_вн в направлении, противоположном полю двой­ного электрического слоя (рис.2.2,б), то толщина запирающего слоя уменьшится и при напряжении 0,3 — 0,5 В запирающий слой исчез­нет. Сопротивление р-n-перехода существенно уменьшится и ток рез­ко возрастет. Ток при этом называют прямым, а р-n-переход — открытым, или смещенным в прямом направлении.

Если же к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью E_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряжен­ностью E_зап (рис.2.2,6), то это приведет лишь к расширению запираю­щего слоя, так как отведет от контактной зоны как положительные, так и отрицательные носители заряда (дырки и электроны).

Рис.2.2 Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле:

а — к р-n-переходу приложено прямое напряжение, 6 — к р-n-переходу приложе­но обратное напряжение.

Рис.2.3. Вольт-амперная характерис­тика полупроводникового диода

При этом электрическое сопротивление р-n-перехода велико и даже при относительно высоком напряжении ток, обусловленный движе­нием неосновных носителей заряда через переход, незначителен. В этом случае ток называют обратным, а р-п-треход — закрытым, или смещенным в обратном направлении.

На рис.2.3 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) полу­проводникового диода. Видимый излом ВАХ в начале координат свя­зан с различными масштабами токов и напряжений в первом и треть­ем квадрантах графика. При увеличении приложенного к диоду внеш­него напряжения в прямом направлении U_пр после исчезновения за­пирающего слоя ток резко возрастает и определяется только сопро­тивлением полупроводника. Увеличение же обратного напряжения U_о6р практически не влияет на обратный ток, который очень мал и обусловлен лишь движением неосновных носителей заряда. Однако при относительно высоких обратных напряжениях происходит про­бойр-n-перехода и обратный ток резко возрастает. Это связано с тем, что при движении через р-n-переход под действием электричес­кого поля неосновные носители заряда приобретают энергию, доста­точную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда — элек­тронов и дырок, что приводит к резкому увеличению обратного тока черезр-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот пробой называют лавинным.

Различают электрический и тепловой лавинный пробой. Для элек­трического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства р-n-перехода полностью восстанавли­ваются, если снизить напряжение на диоде. Благодаря этому электри­ческий пробой используют в качестве рабочего режима в полупро­водниковых диодах. На рис.2.3 этот пробой характеризуется ниспа­дающейчастью обратной ветви ВАХ полупроводникового диода.

Однако при недостаточном отводе тепла, вызванного относительно большим обратным током, р-n-переход разогревается. В результате этого усиливается процесс генерации электронно-дырочных пар, что приводитк дальнейшему увеличению тока и температуры и б итоге к необратимому разрушению р-n-перехода Такой пробой называют тепловым, он может наступить как следствие электрического пробоя.

Закрытый р-п-переход обладает электрической емкостью, значение которой зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя При увеличении обратного напряже­ния ширина р-n-перехода возрастает, и емкость р-п-перехода уменьшается.

Определенный интерес представляет переход на основе контакта ме­талл — полупроводник (переход Шоттки)

При контакте специально подобранных металла и полупроводника, например р-типа, в отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны металла переходят в полупроводник. В результате рекомбина­ции части электронов с дырками полупроводника в приграничном слое образуется электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов Обедненный основными носителями заряда (дырками) приконтактный слой полупроводника обладает повышенным удельным элек­трическим сопротивлением

Приложение к переходу внешнего прямого напряжения (минусом к металлу) уменьшает напряженность электрического поля вблизи кон­такта и в результате перемещения электронов из металла в полупровод­ник возникает прямой электрический ток. Прямое напряжение такого пе­рехода будет почти в 3 раза меньше прямого напряжения обычного р-п- перехода

Приложенное обратное напряжение, напротив, увеличит напряжен­ность электрического поля в переходе, и удельное электрическое сопротивление приконтактной области полупроводника значительно увеличится В цепи будет существовать чрезвычайно малый (порядка 10^-8  10^-9А) обратный ток, обусловленный движением неосновных но­сителей заряда полупроводника (электронов), концентрация которых очень мала Время восстановления высокого сопротивления перехода при изменении полярности приложенного напряжения с прямого на обратное значительно меньше, чем для перехода на основе контакта двух полупро­водников, и может достигать значений порядка долей наносекунд.

Перечисленные свойства перехода металл — полупроводник широко используются для создания быстродействующих и экономичных полупро­водниковых приборов

В зависимости от технологии изготовления полупроводниковые диоды подразделяются на точечные и плоскостные

В точечном полупроводниковом диоде используется пластинка герма­ния или кремния с электропроводностью п - типа толщиной 0,1 — 0,6 мм и площадью 0,5 — 1,5 мм² . В пластинку вплавляется заостренная игла из металла или сплава с содержанием необходимых примесей . В процессе в плавлен ия в кристалле полу про водника в области контакта с иглой образуется слой р-типа. Поскольку площадь контакта мала (порядка 30 — 50 мкм²) прямой ток ограничивается десятками миллиампер. Кон­струкция точечного полупроводникового диода показана на рис. 2.4. Типовые ВАХ точечного диода и условное графическое обозначение полупроводникового диода приведены на рис. 2.5. Возрастание тока диода при повышении температуры р-п-перехода связано с увеличением количества свободных носителей заряда.

В плоскостных полупроводниковых диодахр-п-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов ле­жит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплос- костные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды).

Типовые ВАХ плоскостного полупроводникового диода средней мощ­ности приведены на рис.2.6.

Благодаря большой площади р-п-перехода прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Обычно падение напря­жения на диоде в прямом направлении не превышает 1 В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1 — 10 А/мм², что вызы­вает некоторое повышение температуры полупроводника. Для сохра­нения работоспособности германиевого диода его температура не до­лжна превышать 85° С. Кремниевые диоды могут работать при тем­пературе до 150° С. Для уменьшения разогрева мощных диодов пря­мым током принимают специальные меры для их охлаждения: мон­таж на радиаторах, обдув и т.д.

Рис.2.4. Конструкция точечного диода: 1 — выводы; 2 — стеклянный корпус; 3 — кристалл полупроводника; 4 — ме­таллическая игла

Рис 2.4. Конструкция точечного диода:

1- Выводы, 2 – стеклянный корпус, 3 – кристалл полупроводника, 4 – металлическая игла. 

2.5. Вольт амперная характеристика точечного диода и условное графическое обозначение полупроводникового диода.

       Большие обратные напряжения могут вызвать чрезмерный разо­грев диода и разрушение р-п--перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих 0,7 - 0,8 пробивного напряжения. Даже кратковременное повышение на­пряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р-п- перехода и выходу из строя диода

Выпрямительные диоды. Это полупроводниковые диоды, предна­значенные для выпрямления переменного тока. Как правило, это плос­костные диоды средней и большой мощности. Для работы в мало­мощных цепях (высокочастотные и импульсные цепи электронных ус­тройств) используются точечные диоды.

овными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое на­пряжение  , которое нормируется при определенном прямом токе ; максимально допустимый прямой ток диода ; максимально допустимое обратное напряжение диода U_{o6p макс}; обратный ток диода , который нормируется при определенном обратном напряжении Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов дано в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Значения параметров выпрямительных диодов Тип диода Максимально допустимый прямой ток Максимально допустимое обратное напряжение Uo6p макс, В Обратный ток , мкА Межэлектродная емкость, пФ Низкочастотный маломощный Низкочастотный мощный Высокочастотный 0,1—1,0   1 —2000   0,01 — 0.5 200—1000   200—4000   10— 100 1 — 200 4 00 — 5000   0,1 —50 —   —   0,3 — 15

Для получения более высокого обратного напряжения полупро­водниковые диоды можно включать последовательно Для последо­вательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Максимально допустимое обратное напряжение U_{o6p макс} та­ких столбов лежит в пределах 2 — 40 кВ

Более сложные соединения диодов имеются в сичовых диодных сбор­ках В них для увеличения прямого тока диоды соединяются параллель­но, для увеличения обратного напряжения — последовательно и часто осу­ществляют соединения, облегчающие применение диодов в конкретныхвыпрямительных устройствах. Так, выпрямительные мосты на кремние­вых диодах специально предназначены для использования в однофаз­ных и трехфазных мостовых выпрямителях.

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускаются в виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды присо­единены к одному общему выводу, что облегчает их использование в ло­гических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения

Полупроводниковые стабилитроны. Стабилитроны, или опорные ди­оды предназначены для стабилизации напряжений. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной ее ветви, соответствую­щий области обратного р-п- перехода. При работе в этой облас­ти обратное напряжение на стабилитроне U_ст мало изменяется при от­носительно больших изменениях тока стабилитрона I_ст. ВАХ стабилит­рона и его условное графическое обозначение показаны на рис.2.7. Пос­кольку ток стабилитрона ограничивается, электрический пробой не пе­реходит в тепловой, разрушающий р-п-переход Стабилитроны исполь­зуют, например, в параметрических стабилизаторах напряжения.

Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизации  ; динамическое сопротивление на участке стабилизации ; минимальный ток стабилизации ; максимальный ток стабилизации ;температурный коэффици­ент напряжения на участке стабилизации

.

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 3 — 180 В и зависит от толщины запирающего слояр-п- перехода. Участок стабилизации расположен на ВАХ стабилитрона от  до .  Значение минимального тока  ограничено нелинейным участ­ком ВАХ стабилитрона, значение максимального тока  —до­пустимой температурой полупроводника      

Рис 2 7 Вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона

На участке стабилизации const, для большинства стабилитро­нов Ом. ТКН является важным параметром стабилитрона, показывающим на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1° С. Для большинства стабилитронов ТКН=(-0,05 +0,1)%. При этом отрицательным ТКН обладают стабилитроны с низким напряжением стабилизации (U_ст≤ 6,0 В).

Путем последовательного соединения в процессе изготовления р-п-переходов с различными по знаку ТКН удается получить стабилит­роны с очень низким ТКН. Так, у прецизионного стабилитрона КС191Ф ТКН= ± 0,0005% /°С в диапазоне температур от -60 до +60° С. Такие стабилитроны применяют в стабилизаторах напряжения, например, в ав­томатических потенциометрах, предназначенных для измерения постоян­ных напряжений и токов.

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом об­щее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном стаби­литроне, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Варикапы. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкостьр-п-перехода, включенного в обратном направлении, зависит от ширины перехода, а следовательно, от приложенного обратного напряжения.

В качестве полупроводникового материала для изготовления ва­рикапов служит кремний. Зависимость емкости варикапа от обратно­го напряжения и его условное обозначение показаны на рис. 2.8.

Основными параметрами варикапа являются общая емкость C, ко­торая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении  В, и коэффициент перекрытия по емкости  при двух заданных значениях обратных напряжений. Для большин­ства выпускаемых варикапов  и .

Рис.2.8. Зависимость емкости от обратно­го напряжения и условное графическое обозначение варикапа

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и авто­матической подстройки частоты.

Кроме рассмотренных, существуют и другие типы диодов — импульс­ные, сверхвысокочастотные (СВЧ), туннельные диоды, а также стабисторы, магнитодиоды, тензодиоды и др. Диоды, в которых используется эф­фект взаимодействия оптического излучения с носителями заряда в запи­рающем слое р-п-перехода (фотодиоды, светодиоды) будут рассмотрены в § 2.6 и 2.9.

Вопрос 2.1. Движению каких носителей заряда из р-полупроводника вп-полупроводник не препятствует двойной электрический слой на границе двух полупроводников?

Варианты ответа:

2.1.1. Дырок.

2.1.2. Электронов.

2.1.3. Положительных ионов.