Conska teorija je osnova sodobnih predstav o mehanizmih različnih fizikalnih pojavov, ki se pojavljajo v trdni kristalni snovi, ko je izpostavljena elektromagnetnemu polju. Pasovna teorija trdne snovi je teorija valenčnih elektronov, ki se gibljejo v periodičnem potencialnem polju kristalne mreže.
Kot je navedeno, posamezne atome imajo diskretni energijski spekter, to pomeni, da lahko elektroni zasedejo le zelo specifične energijske ravni.
Nekateri od teh nivojev so zapolnjeni v normalnem, nevzbujenem stanju atoma, elektrone lahko najdemo na drugih nivojih le, ko je atom podvržen zunanjemu energijskemu vplivu, to je, ko je vzbujen. Če si prizadeva za stabilno stanje, atom oddaja presežek energije v trenutku prehoda elektronov iz vzbujenih ravni na ravni, na katerih je njegova energija minimalna. Zgoraj je značilen energijski diagram atoma, prikazan na sl. 1.11, A.
riž. 1.11. Postavitev ravni energije:
A - samotni atom; b– nekovinska trdna snov
Če obstaja sistem n identični atomi dovolj oddaljeni drug od drugega (na primer plinasta snov), potem interakcija med atomi praktično ni in energijske ravni elektronov ostanejo nespremenjene.
Izmenjava interakcije. Ko plinasta snov kondenzira v tekočino in nato tvori kristalno mrežo V trdnem telesu so vse elektronske ravni, ki so prisotne v atomih dane vrste (tako napolnjene z elektroni kot nenapolnjene), nekoliko premaknjene zaradi delovanja sosednjih atomov drug na drugega. Zlasti privlačnost elektronov enega atoma z jedrom sosednjega zmanjša višino potencialne pregrade, ki ločuje elektrone v posameznih atomih. Glavna stvar je, da ko se atomi približajo, se elektronske lupine prekrivajo, kar posledično bistveno spremeni naravo gibanja elektronov. Zaradi prekrivanja lupin se elektroni lahko premikajo iz enega atoma v drugega, ne da bi spremenili energijo z izmenjavo, torej se premikajo po kristalu. Izmenjalna interakcija je povsem kvantne narave in je posledica neločljivosti elektronov. V tem primeru ni več mogoče govoriti o pripadnosti enega ali drugega elektrona določenemu atomu - vsak valenčni elektron pripada vsem atomom kristalne mreže hkrati. Z drugimi besedami, ko se elektronske lupine prekrivajo, se elektroni socializirajo.
Energijske cone. Zaradi interakcije izmenjave se diskretne energijske ravni izoliranega atoma razdelijo na energijske pasove, kot je prikazano za nekovinsko trdno snov na sliki 3b. 1.11, b. Postavljene energijske cone so ločene s prepovedanimi energijskimi intervali. Širina dovoljenih energijskih pasov ni odvisna od velikosti kristala, ampak je določena samo z naravo atomov, ki tvorijo trdno snov, in simetrijo kristalne mreže. Označimo z E A energija izmenjave interakcij med dvema sosednjima atomoma. Potem bo za kristale s preprosto kubično mrežo, kjer ima vsak atom 6 najbližjih sosedov, razdelitev ravni na cone 12 E A ; za rešetko s središčem obraza (prva koordinacijska sfera je sestavljena iz 12 atomov) bo širina energijsko dovoljenega pasu 24 E A , in v telesnem središču (vsak atom ima 8 sosedov) – 16 E A . Od izmenjave energije E A odvisno od stopnje prekrivanja elektronskih lupin, potem se energijski nivoji notranjih lupin, ki so močneje lokalizirane v bližini jedra, razcepijo manj kot nivoji valenčnih elektronov. Ne samo normalni (stacionarni), ampak tudi vzbujeni nivoji energije so podvrženi razdelitvi v cono. Širina dovoljenih območij se povečuje, ko se premikate po energijski lestvici navzgor, velikost prepovedanih energijskih vrzeli pa se ustrezno zmanjšuje.
Vsako območje je sestavljeno iz številnih energijskih ravni. Očitno je njihovo število določeno s številom atomov, ki sestavljajo trdno snov. To pomeni, da je v kristalu končne velikosti razdalja med nivoji obratno sorazmerna s številom atomov. Kristal s prostornino 1 cm 3 vsebuje 10 22 – 10 23 atomov. Eksperimentalni podatki kažejo, da obseg energije valenčnega elektronskega pasu ne presega več elektronvoltov. Iz tega lahko sklepamo, da so nivoji v coni energijsko ločeni za 10 -22 - 10 -23 eV, kar pomeni, da je za energijsko cono značilen kvazikontinuiran spekter. Dovolj je že zanemarljivo majhen energijski vpliv, da pride do prehoda elektronov z enega nivoja na drugega, če so tam prosta stanja.
Porazdelitev elektronov. V skladu s Paulijevim načelom lahko vsak energijski nivo vsebuje največ dva elektrona z nasprotno smerjo magnetnega momenta spina. Zato se izkaže, da je število elektronskih stanj v pasu končno in enako številu ustreznih atomskih stanj. Izkaže se, da je končno tudi število elektronov, ki zapolnijo dani energijski pas, kar igra pomembno vlogo pri oblikovanju energijskega spektra kristala.
Tako kot energijske ravni v izoliranih atomih so energijski pasovi lahko popolnoma zapolnjeni, delno zapolnjeni ali prazni. Notranje lupine v izoliranih atomih so zapolnjene, zato se izkaže, da so zapolnjene tudi ustrezne cone .
Najvišji pas, napolnjen z elektroni, se imenuje valenca To območje ustreza energijskim nivojem elektronov zunanje lupine v izoliranih atomih. Prosto območje, ki mu je najbližje, se imenuje nenapolnjeno z elektroni cona prevodnosti. Relativni položaj teh dveh območij določa večino procesov, ki potekajo v trdni snovi.
Sklepi pasovne teorije. Narava energijskega spektra kovinskih prevodnikov, polprevodnikov in dielektrikov je bistveno drugačna. Pri kovinskih prevodnikih valenčni pas ni popolnoma zapolnjen ali se prekriva s prevodnim pasom. V polprevodnikih in dielektrikih sta prevodni in valenčni pas ločena z neko energijsko režo, imenovano pas. Formalno polprevodniki vključujejo snovi, katerih pasovna vrzel je manjša od 3 eV. Snovi s širšo prepovedanim pasom uvrščamo med dielektrike. V realnih dielektrikih lahko pasovna vrzel doseže 10 eV. Razlika v položaju energijskih pasov v dielektrikih, polprevodnikih in kovinskih prevodnikih je prikazana na sl. 1.12.
riž. 1.12. Energijska razlika med dielektriki in polprevodniki
in kovinski prevodniki z vidika pasovne teorije trdnih teles
telesa: 1 – cona napolnjena z elektroni; 2 – prosta cona
Po pasovni teoriji imajo elektroni valenčnega pasu praktično enako svobodo gibanja v vseh trdnih snoveh, ne glede na to, ali so kovine ali izolatorji. Gibanje se izvaja s tunelskim prehodom elektronov iz atoma v atom. Za razlago razlik v električnih lastnostih materialov je treba upoštevati različen odziv elektronov napolnjenih in nenapolnjenih con na zunanje električno polje. Zunanje električno polje poskuša porušiti simetrijo v porazdelitvi hitrosti elektronov, pospešuje elektrone, ki se premikajo v smeri delujočih električnih sil, in upočasnjuje delce z nasprotno gibalno količino. Vendar pa je takšno pospeševanje in upočasnjevanje povezano s spremembo energije elektronov, ki naj bi jo spremljal njihov prehod v nova kvantna stanja. Očitno se lahko takšni prehodi zgodijo le, če so v energijskem pasu proste ravni. V tipičnih primerih je dodatna energija, ki jo pridobijo elektroni vzdolž povprečne proste poti pod vplivom električnega polja, 10 -3 – 10 -4 eV, kar pomeni, da močno presega razdaljo med podravni v območju.
V kovinah, kjer pas ni popolnoma zapolnjen z elektroni, lahko celo šibko polje elektronom posreduje dovolj zagona, da se premaknejo na bližnje proste ravni. Zaradi tega so kovine dobri prevodniki električnega toka.
V polprevodnikih in dielektrikih pri temperaturi 0 K so vsi elektroni v valenčnem pasu, prevodni pas pa je popolnoma prost. Elektroni popolnoma zapolnjenega območja ne morejo sodelovati pri ustvarjanju električnega toka. Za pojav električne prevodnosti je potrebno nekaj elektronov prenesti iz valenčnega pasu v prevodni pas. Energija električnega polja ni dovolj za izvedbo takšnega prehoda, potrebna je močnejša energijski vpliv, kot je segrevanje trdne snovi.
Povprečna kinetična energija toplotnih nihanj atomov v kristalni mreži je približno enaka (3/2) kT. Pri sobni temperaturi je ta vrednost približno 0,04 eV, kar je na splošno bistveno manj od pasovne vrzeli ΔE. Vendar je treba upoštevati, da je toplotna energija med delci neenakomerno porazdeljena. V vsakem trenutku je majhno število atomov, katerih amplituda in energija toplotnih vibracij znatno presegata povprečno vrednost. Med toplotnimi vibracijami atomi medsebojno delujejo ne le med seboj, ampak tudi z elektroni in jim prenašajo del toplotne energije. Zaradi takšnih toplotnih nihanj se lahko nekateri elektroni premaknejo iz valenčnega v prevodni pas. Očitno je, da višja kot je temperatura in manjša kot je pasovna vrzel, večja je intenzivnost medpasovnih prehodov. V dielektrikih je lahko pasovni razmik tako velik, da elektronska prevodnost ne igra določene vloge.
Z vsakim aktom vzbujanja in prehoda elektronov v prevodni pas se v porazdelitvi elektronov po stanjih valenčnega pasu pojavijo energijske proste prostore, imenovane "luknje". V prisotnosti lukenj lahko elektroni v valenčnem pasu naredijo relejne prehode iz nivoja v nivo. V zunanjem električnem polju se luknja giblje nasprotno od gibanja elektrona, to pomeni, da se obnaša kot nek pozitiven naboj z negativno efektivno maso. Tako luknje zagotavljajo sodelovanje valenčnih elektronov v procesu električne prevodnosti.
Proces prehoda elektronov v prosto stanje spremlja nasprotni pojav, to je vrnitev elektronov v normalno stanje. Posledično se v snovi pri kateri koli temperaturi pojavi dinamično ravnotežje, tj. število elektronov, ki preidejo v prosto območje, postane enako številu elektronov, ki se vrnejo nazaj v normalno stanje. Z naraščanjem temperature se število prostih elektronov v polprevodniku povečuje, z znižanjem temperature na absolutno ničlo pa se zmanjša na nič.
To pomeni, da snov, ki je pri nekaterih temperaturah dielektrik, pridobi prevodnost pri drugih višjih temperaturah, torej pride do novega kvalitativnega stanja snovi. Razlika med prevodnostma obeh vrst materialov – kovin in nekovin – je najpomembnejša pri temperaturah, ki se približujejo absolutni ničli; razlika med obema razredoma nekovin - polprevodniki in dielektriki - izgine, ko se temperatura približa absolutni ničli.
riž. 1.13. Porazdelitev gostote stanj v energijskem pasu
Elektronov, ki se nahajajo v prevodnem pasu, ni mogoče šteti za popolnoma proste. Takšni elektroni bodo neizogibno sodelovali s periodičnim potencialnim poljem kristalne mreže. Pri matematičnem opisovanju obnašanja elektronov v prevodnem pasu se uporablja koncept efektivna masa. Efektivna masa ne določa niti inercialnih niti gravitacijskih lastnosti elektrona, vendar je z uvedbo koncepta efektivne mase možno premakniti pravi elektron v kristalu z maso T 0 opisujejo kot gibanje absolutno prostega elektrona, tj. efektivna masa upošteva kompleksno naravo interakcije elektrona s kristalno mrežo, ko se premika pod vplivom zunanjega električnega polja. Efektivna masa se lahko večkrat razlikuje od mase prostega elektrona.
Poenostavljeni diagram, prikazan na sl. 1.11, b, ne upošteva dejstva, da so stanja znotraj energijskega pasu porazdeljena neenakomerno. Z uporabo kvantne mehanike je mogoče dokazati, da je gostota stanj n(E) bo največji v sredini energijske cone (slika 1.13). Poleg tega se gostota stanj, to je njihovo število na enoto energijskega intervala, v bližini robov cone povečuje z naraščajočo energijo po paraboličnem zakonu:
,
(1.1)
Kje 
je efektivna masa elektrona.
Pasovna vrzel se spreminja s temperaturo. To se zgodi iz dveh glavnih razlogov: zaradi spremembe amplitude toplotnih nihanj atomov rešetke in zaradi spremembe medatomskih razdalj, to je volumna telesa. Z naraščajočo temperaturo se poveča amplituda toplotnih vibracij atomov, poveča se stopnja njihove interakcije in stopnja cepitve energijskih ravni. Zato se dovoljena območja širijo in prepovedana območja ustrezno ožijo.
Ko se medatomske razdalje spremenijo, se lahko pasovna vrzel poveča ali zmanjša, odvisno od narave cepitve nivojev (slika 1.11). Podobne spremembe širine pasu nastanejo pod vplivom pritiska na kristal, saj se spremenijo medatomske razdalje.
Energija, ki je potrebna za prenos elektrona v prosto stanje ali za nastanek luknje, se lahko zagotovi ne samo s toplotnim gibanjem, ampak tudi z drugimi viri energije, na primer svetlobna energija, ki jo absorbira material, energija toka elektronov in jedrski delci, energija električnega in magnetnega polja, mehanska energija itd. d) Povečanje števila prostih elektronov ali lukenj pod vplivom katere koli vrste energije prispeva k povečanju električne prevodnosti, povečanju toka in pojav elektromotornih sil.
Električne lastnosti so določene s pogoji interakcije in razdalje med atomi snovi in niso nepogrešljiva lastnost danega atoma. Dokazano je, da je ogljik v obliki diamanta dielektrik, v obliki grafita pa visoko prevoden.
Nečistoče in točkaste napake, ki kršijo strogo periodičnost strukture, ustvarjajo posebne energijske nivoje, ki se nahajajo v pasovni vrzeli idealnega kristala. Če so atomi ali defekti nečistoč dovolj daleč drug od drugega, potem med njimi ni interakcije in ustrezne energijske ravni se izkažejo za diskretne. Ker so tunelski prehodi elektronov med oddaljenimi atomi nečistoč praktično nemogoči, so dodatna elektronska stanja lokalizirana na določeni lokaciji v mreži, to je na strukturni napaki. Pri dovolj visoki koncentraciji primesnih atomov so razdalje med njimi primerljive z velikostjo atomov, zaradi česar je možno prekrivanje elektronskih lupin najbližjih primesnih atomov. V tem primeru so diskretne energijske ravni nečistoč razdeljene v energijski pas stanj nečistoč, ki lahko zagotovijo prevodnost, če niso vsi nivoji v tem pasu napolnjeni z elektroni. Tako so električne lastnosti vseh trdnih teles določene teoretično z enega samega vidika - vzbujalna energija nosilcev naboja ali aktivacijska energija električne prevodnosti je v kovinah enaka nič in v nizu polprevodnikov nenehno narašča, ki se pogojno transformirajo z naraščanjem v tej energiji v vrsto dielektrikov; dobro prevodne kovine in dobro izolativni dielektriki predstavljajo skrajne člene neprekinjenega niza, v katerega lahko po tem kriteriju razporedimo trdne snovi. Če povzamemo povedano, je treba poudariti, da je pasovna teorija strogo uporabna za trdne snovi s kovalentnimi in kovinskimi vezmi.
Delitev trdnih snovi na polprevodnike in dielektrike je večinoma poljubna. Ker se materiali z vse širšimi presledki v pasovih začnejo uporabljati kot polprevodniki, delitev teles na polprevodnike in dielektrike postopoma izgublja svoj prvotni pomen.
Vprašanja za samotestiranje
1. Podajte splošno klasifikacijo materialov, ki se uporabljajo v elektronski tehnologiji.
2. Katere so glavne vrste kemijskih vezi v materialih in kaj jih povzroča?
3. Kakšne so razlike med monokristali, polikristalini in amorfnimi snovmi?
4. Navedite primere točkastih in razširjenih strukturnih napak v realnih kristalih.
5. Opišite pojav polimorfizma. Navedite primere polimorfnih snovi.
6. Zakaj se med nastajanjem trdne snovi energetski nivoji atomov razcepijo v energijska območja?
7. Kaj določa širino dovoljenega območja in število nivojev v njem?
8. Kako se razlikujejo pasovne strukture prevodnika, polprevodnika in dielektrika?
9. Kakšna je razlika med prevodnimi elektroni in prostimi elektroni?
Gradivo, uporabljeno v tem delu predavanja, je povzeto iz knjige A.M. Khadykin "Radijski materiali in radijske komponente".
V atomu se elektroni gibljejo na različnih razdaljah od jedra in z različnimi hitrostmi. Z večanjem polmera orbite se kinetična energija elektrona zmanjšuje, potencialna energija glede na jedro pa se povečuje. V skladu s tem imajo elektroni glede na jedro različne vrednosti celotne energije - ravni energije. Najnižjo skupno energijo imajo elektroni, ki so najbližje jedru, največjo pa valenčni elektroni.
Energijske ravni elektronov se med seboj razlikujejo po določenih energijskih vrednostih E. V samotnem atomu ne moreta imeti več kot dva elektrona enako energijsko raven (slika 77, a) (Paulijev princip). V atomu med energijskimi nivoji obstajajo območja prepovedanih energijskih vrednosti za elektrone. Imenujejo se prepovedane cone (na sliki cone A, B, C itd.).
Pod vplivom določenih dejavnikov (ogrevanje, zunanje električno polje, sevanje) se lahko energija elektrona izoliranega atoma spremeni: poveča ali zmanjša, vendar ne gladko, ampak nenadoma - v diskretnih energijskih vrednostih, od ene ravni do druge. raven. Prehod elektrona na višjo energijsko raven (na primer iz 1. v 3., iz 2. v 5.) se zgodi, ko absorbira energijo od zunaj. Prehod na nižjo energijsko raven (na primer iz 5. v 2., iz 4. v 1.) spremlja sproščanje energije.
Ko se atomi združijo v trdno telo zaradi tvorbe kolektiviziranih elektronov, se energijski nivoji posameznih elektronov atoma razdelijo na številne energijske nivoje podobne velikosti, ki tvorijo energijsko cono (slika 77, b). Se imenuje območje dovoljenih vrednosti energije elektronov.Število nivojev v coni je enako številu atomov v kristalu.
Med dovoljenimi energijskimi conami so cone prepovedanih energijskih vrednosti elektronov. V trdni snovi je različna zapolnjenost različnih con z elektroni. Območja se lahko popolnoma zapolnijo, imenujejo se valenca(Slika 77, c), delno napolnjena - takšne cone se imenujejo prevodne cone, ali popolnoma brezplačno (proste cone). V valenčnih pasovih so vsi energijski nivoji zasedeni z elektroni, zato so v takšnih pasovih znotrajpasovni prehodi elektronov iz ravni v raven pod vplivom električnega polja nemogoči. (Valenčni pasovi ne sodelujejo pri nastajanju električnega toka, zato nas ne bodo več zanimali.
Ko se oblikujejo energijski pasovi, se zgornje energijske ravni, na primer 3., 4., 5. (slika 78), razdelijo tako, da imajo elektroni v sosednjih pasovih enake energijske vrednosti - njihove energijske ravni sovpadajo. To vodi do prekrivanja vseh con, vključno s prosto cono (razdeljena zgornja energijska raven 5).
Znotraj trdne snovi ni con, omejenih z geometrijskimi dimenzijami. Koncept "območja" je bil uveden samo zato, da bi poudaril, da imajo v trdnem telesu določeni elektroni (elektroni določenega območja) energijo v določenih mejah: od najnižje vrednosti energije E 1 do najvišje vrednosti E 2 v napolnjenem območju ( glej sliko 77, c) ali od najnižje vrednosti energije E 3 do njene najvišje vrednosti. E 4 v prevodnem pasu. Ko rečemo, da je elektron v takem in takem območju, to pomeni le njegovo energijsko stanje, zalogo energije, ki jo ima. Pri grafičnem prikazu con, ko je vrednost energije narisana navpično, bo črta spodnje meje cone ustrezala najnižji vrednosti energije elektronov dane cone, črta zgornje meje pa najvišji.
Elektroni v trdnih snoveh se lahko premikajo iz enega dovoljenega pasu v drugega, pa tudi z enega nivoja na drugega znotraj enega pasu (znotrajpasovni prehodi). Za prenos elektrona iz spodnjega pasu v sosednji zgornji pas je potrebno porabiti energijo, ki je enaka energiji, ki ustreza razmaku pasu.
Glede na širino prepovedanih pasov in zapolnjenost energijskih nivojev v pasovih z elektroni delimo trdne snovi glede na električno prevodnost na prevodnike, polprevodnike in dielektrike. Prevodniki (kovine) vključujejo snovi, ki imajo bodisi nepopolno napolnjen prevodni energijski pas, ki meji na prosto cono (slika 79, a), bodisi delno prekrivajoča se območja: popolnoma napolnjeno (valentno) območje in prosto območje, ki se nahaja nad njim. Prekrivanje območij povzroči nastanek širokega, ne popolnoma napolnjenega območja - prevodnega območja (slika 79, b). Ko je kovina povezana z virom toka (v prisotnosti celo šibkega zunanjega električnega polja), se začne elektron v enem območju urejeno premikati od nižjih k višjim energijskim nivojem, premikati se skozi kovino in tako tvori električni trenutno.
Snovi, ki imajo široko pasovno vrzel med prostim in valenčnim pasom (več kot 2-3 eV), so dielektriki (slika 80). V njih so vsi energijski nivoji valenčnih pasov popolnoma zapolnjeni z elektroni. Prostega pasu ni mogoče uporabiti kot prevodni pas, saj je od valenčnega pasu ločen s široko vrzeljo. Zato v dielektrikih ni pogojev za urejeno gibanje elektronov znotraj enega energijskega pasu, t.j. ni pogojev za nastanek toka. Pri zelo visokih električnih poljskih jakostih se lahko elektroni v dielektriku premaknejo iz valenčnega pasu v prosti pas. Nastali tok bo uničil dielektrik (dielektrični razpad).
Pošljite svoje dobro delo v bazo znanja je preprosto. Uporabite spodnji obrazec
Študenti, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki bazo znanja uporabljajo pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.
Objavljeno na http://www.allbest.ru/
Koncept pasovne teorije trdnih teles
V okviru pasovne teorije se problem številnih elektronov zmanjša na problem gibanja enega elektrona v zunanjem periodičnem polju - povprečnem in konsistentnem polju vseh jeder in elektronov.
Oglejmo si "proces nastajanja" trdne snovi iz izoliranih atomov.
Medtem ko so atomi izolirani, to pomeni, da so na makroskopskih razdaljah drug od drugega, imajo ujemajoče se vzorce ravni energije (slika 1).
Slika 1 Energijske ravni izoliranih atomov
Ko je model "stisnjen" na kristalno mrežo, tj. ko razdalje med atomi postanejo enake medatomskim razdaljam v trdnih snoveh, vodi interakcija med atomi do dejstva, da so energijske ravni atomov premikanje, razdelitev in razširitev na cone se oblikuje conski energijski spekter.
Opazno se cepijo in širijo le nivoji zunanjih, valenčnih elektronov, ki so najšibkeje vezani na jedro in imajo največjo energijo, ter višji nivoji, ki v osnovnem stanju atoma sploh niso zasedeni z elektroni. . Ravni notranjih elektronov se sploh ne razcepijo ali pa se razcepijo šibko.
Tako se v trdnih snoveh notranji elektroni obnašajo enako kot v izoliranih atomih, medtem ko so valenčni elektroni "kolektivizirani" - pripadajo celotnemu trdnemu telesu.
Energija zunanjih elektronov lahko zavzame vrednosti v mejah, zasenčenih na sl. 1 območja, imenovana dovoljena energetska območja. Vsako dovoljeno območje »vsebuje« toliko bližnjih diskretnih nivojev, kolikor je atomov v kristalu: več atomov je v kristalu, bližje so nivoji v območju. Razdalja med sosednjimi energijskimi nivoji v območju je približno 10 -22 eV. Ker je tako nepomemben, lahko pasove štejemo za praktično neprekinjene, vendar ima dejstvo končnega števila nivojev v pasu pomembno vlogo pri porazdelitvi elektronov med stanji.
Dovoljena energijska območja so ločena z območji prepovedanih energijskih vrednosti, imenovanimi prepovedana energijska območja. V njih ne morejo biti elektroni. Širina trakov (dovoljenih in prepovedanih) ni odvisna od velikosti kristala. Čim šibkejša je povezava med valenčnimi elektroni in jedri, tem širši so dovoljeni pasovi.
Kovine, dielektriki in polprevodniki po pasovni teoriji
Pasovna teorija trdnih teles je omogočila razlago obstoja kovin, dielektrikov in polprevodnikov z enotnega vidika, pri čemer je razložila razliko v njihovih električnih lastnostih, prvič, z neenakomerno zapolnjenostjo dovoljenih pasov z elektroni in, drugič, z širina pasovnih vrzeli.
Stopnja, do katere elektroni zapolnijo energijske nivoje v pasu, je določena s polnjenjem ustreznih atomskih nivojev. Če je ob tem nek energijski nivo popolnoma zapolnjen, potem je popolnoma zapolnjeno tudi nastalo energijsko območje.
Valenčni pas popolnoma napolnjena z elektroni in oblikovana iz energijskih nivojev notranjih elektronov prostih atomov.
ZOnaprevodnost (brezin jazconeA) bodisi delno napolnjene z elektroni bodisi proste in oblikovane iz energijskih ravni zunanjih »kolektiviziranih« elektronov izoliranih atomov.
Glede na stopnjo zapolnjenosti pasov z elektroni in širino prepovedanega pasu so možni štirje primeri (slika 2).
Slika 2 Energijske cone
Na sl. 2, A najbolj zgornja cona, ki vsebuje elektrone, je le delno zapolnjena, to pomeni, da vsebuje prazne nivoje. V tem primeru se bo elektron, ki je prejel poljubno majhen energijski "dodatek" (na primer zaradi toplotnega gibanja ali električnega polja), lahko premaknil na višjo energijsko raven iste cone, tj. postal prost in sodelujejo pri vodenju. Znotrajpasovni prehod je povsem možen, saj je na primer pri 1 K energija toplotnega gibanja kT 10 -4 eV, to je veliko večja od energijske razlike med sosednjimi nivoji pasov (približno 10 -22 eV). Če torej v trdni snovi obstaja območje, ki je le delno napolnjeno z elektroni, bo to telo vedno prevodnik električnega toka. Točno to počnejo kovine.
Trdna snov je prevodnik električnega toka tudi v primeru, ko valenčni pas prekriva prosti pas, kar na koncu privede do nepopolno zapolnjenega pasu (slika 2, b) . To velja za zemeljskoalkalijske elemente, ki tvorijo II. skupino periodnega sistema (Be, Mg, Ca, Zn,...). V tem primeru nastane tako imenovani "hibridni" pas, ki je le delno zapolnjen z valenčnimi elektroni. Posledično so v tem primeru kovinske lastnosti zemeljskoalkalijskih elementov posledica prekrivanja valenčnih in prostih pasov.
Trdne snovi, katerih energijski spekter elektronskih stanj je sestavljen samo iz valenčnega in prevodnega pasu, so izolatorji ali polprevodniki, odvisno od pasovne vrzeli E.
Če je pasovna vrzel kristala reda velikosti nekaj elektronskih voltov, potem toplotno gibanje ne more prenesti elektronov iz valenčnega pasu v prevodni pas in kristal je dielektrik, ki ostane pri vseh realnih temperaturah (slika 2, c).
Če je pasovna vrzel dovolj ozka (E reda 1 eV), se lahko prenos elektronov iz valenčnega v prevodni pas relativno enostavno izvede bodisi s toplotnim vzbujanjem bodisi zaradi zunanjega vira, ki lahko prenaša energijo. E na elektrone, in kristal je polprevodnik(Slika 2, d).
Razlika med kovinami in dielektriki z vidika pasovne teorije je, da so pri 0 K elektroni v prevodnem pasu kovin, v prevodnem pasu dielektrikov pa jih ni. Razlika med dielektriki in polprevodniki je določena s širino prepovedanega pasu: za dielektrike je precej široka (na primer za NaCl E = 6 eV), za polprevodnike je precej ozka (na primer za germanij E = 0,72 eV). Pri temperaturah blizu 0 K se polprevodniki obnašajo kot dielektriki, saj ne pride do prenosa elektronov v prevodni pas. Z naraščanjem temperature v polprevodnikih se povečuje število elektronov, ki zaradi toplotnega vzbujanja preidejo v prevodni pas, to pomeni, da se električna prevodnost prevodnikov v tem primeru poveča.
Samoprevodnost polprevodniki
pasovni trdni energijski elektron
Polprevodniki so trdne snovi, ki pri T = 0 je značilen valenčni pas, ki je v celoti zaseden z elektroni in je od prevodnega pasu ločen z relativno ozko (E reda 1 eV) pasovno vrzel. Električna prevodnost polprevodnikov je manjša od električne prevodnosti kovin in večja od električne prevodnosti dielektrikov.
V naravi polprevodniki obstajajo v obliki elementov (elementi skupin IV, V in VI periodnega sistema), na primer Si, Ge, As, Se, Te, in kemičnih spojin, na primer oksidi, sulfidi, selenidi, zlitine. elementov različnih skupin.
Razlikovati lastno in nečistoče polprevodniki.
Lasten polprevodniki so kemično čisti polprevodniki, njihovo prevodnost pa imenujemo intrinzična prevodnost (kemično čisti Ge, Se, številne kemične spojine: InSb, GaAs, CdS itd.)
Pri 0 K in v odsotnosti drugih zunanjih dejavnikov se intrinzični polprevodniki obnašajo kot dielektriki. Ko se temperatura poveča, se lahko elektroni iz zgornjih nivojev valenčnega pasu I prenesejo na nižje nivoje prevodnega pasu II (slika 3a). Ko na kristal deluje električno polje, se ti premaknejo proti polju in ustvarijo električni tok. Tako cona II zaradi delne "napolnjenosti" z elektroni postane prevodna cona. Imenuje se prevodnost intrinzičnih polprevodnikov zaradi elektronov elektronska prevodnost oz prevodnost n-tinpa (iz latinskega negativnega - negativnega).
Slika 3 Lastna prevodnost polprevodnikov
Zaradi toplotnega prenosa elektronov iz cone I v cono II se v valenčnem pasu pojavijo prazna stanja, imenovana luknje. V zunanjem električnem polju se lahko elektron iz sosednjega nivoja premakne v prostor, ki ga je izpraznil elektron - luknja - in luknja se bo pojavila na mestu, kjer je elektron zapustil itd. Ta proces polnjenja lukenj z elektroni je enakovreden premikanje luknje v smeri, ki je nasprotna gibanju elektrona, kot da bi imela luknja pozitiven naboj, ki je po velikosti enak naboju elektrona. Prevodnost intrinzičnih polprevodnikov, ki jo povzročajo kvazidelci – luknje, imenujemo prevodnost lukenj oz prevodnost p-tipa (iz latinščine pozitivno - pozitivno).
Tako opazimo dva mehanizma prevodnosti v intrinzičnih polprevodnikih: elektronski in luknjasti. Število elektronov v prevodnem pasu je enako številu lukenj v valenčnem pasu, saj slednji ustrezajo elektronom, vzbujenim v prevodni pas. Če torej označimo koncentracije prevodnih elektronov in lukenj n e in n R, to
n e = n R. (1)
Prevodnost polprevodnikov je vedno vzbujena, torej se pojavi le pod vplivom zunanjih dejavnikov (temperatura, obsevanje, močna električna polja itd.).
V intrinzičnem polprevodniku je Fermijev nivo na sredini prepovedanega pasu (slika 3b). Za prenos elektrona z zgornjega nivoja valenčnega pasu na spodnji nivo prevodnega pasu je potrebno aktivacijska energija, enaka prepovedanemu pasu E. Ko se v prevodnem pasu pojavi elektron, se v valenčnem pasu nujno pojavi luknja. Posledično je treba energijo, porabljeno za tvorbo para tokovnih nosilcev, razdeliti na dva enaka dela. Ker se energija, ki ustreza polovici širine prepovedanega pasu, porabi za prenos elektronov in se ista energija porabi za nastanek luknje, mora biti referenčna točka za vsakega od teh procesov na sredini prepovedanega pasu. Fermijeva energija v intrinzičnem polprevodniku predstavlja energijo, iz katere se vzbujajo elektroni in luknje.
Specifična prevodnost intrinzičnih polprevodnikov
Kje 0 -- konstantna karakteristika danega polprevodnika.
Povečanje prevodnosti polprevodnikov z naraščajočo temperaturo je njihova značilnost (pri kovinah se prevodnost zmanjšuje z naraščajočo temperaturo). Z vidika pasovne teorije se z naraščanjem temperature povečuje število elektronov, ki zaradi toplotnega vzbujanja preidejo v prevodni pas in sodelujejo pri prevajanju. Zato se specifična prevodnost intrinzičnih polprevodnikov povečuje z naraščajočo temperaturo.
Najpogostejši polprevodniški element je germanij, ki ima diamantu podobno mrežo, v kateri je vsak atom kovalentno vezan na svoje štiri najbližje sosede. Poenostavljen ploski diagram razporeditve atomov v kristalu Ge je prikazan na sl. 4, kjer vsaka črtica označuje vez, ki jo izvaja en elektron. V idealnem kristalu pri 0 K je taka struktura dielektrik, saj vsi valenčni elektroni sodelujejo pri tvorbi vezi in torej ne sodelujejo pri prevajanju. Z naraščajočo temperaturo (ali pod vplivom drugih zunanjih dejavnikov) lahko toplotne vibracije mreže povzročijo prekinitev nekaterih valenčnih vezi, zaradi česar se nekateri elektroni odcepijo in postanejo prosti. Na mestu, ki ga je elektron zapustil, se pojavi luknja (upodobljena z belim krogom), ki jo lahko zapolnijo elektroni iz sosednjega para. Posledično se bo luknja, tako kot sproščeni elektron, premikala po kristalu. Gibanje prevodnih elektronov in lukenj v odsotnosti električnega polja je kaotično. Če se na kristal uporabi električno polje, se bodo elektroni začeli premikati proti polju, luknje - vzdolž polja, kar bo povzročilo nastanek lastne prevodnosti germanija, tako zaradi elektronov kot lukenj.
Slika 4 Kristalna mreža germanija
V polprevodnikih skupaj s procesom generiranja elektronov in lukenj poteka proces rekombinacije: elektroni se premikajo iz prevodnega pasu v valenčni pas, dajejo energijo mreži in oddajajo kvante elektromagnetnega sevanja. Posledično se za vsako temperaturo vzpostavi določena ravnotežna koncentracija elektronov in lukenj.
Objavljeno na Allbest.ru
...Podobni dokumenti
Združevanje izoliranih atomov v kristal. Diagram lokalnih energijskih nivojev elektronov. Osnovni elementi pasovne teorije. Značilnosti stanj elektronov v kristalih. Zmanjšanje odpornosti kovin. Fizikalne osnove kvantne elektronike.
test, dodan 01.09.2012
Opis pasovne teorije trdnih teles. Translacijska simetrija v kristalih. Potencialna luknja. Sprostitev elektrona. Socializacija valenčnih elektronov v kristalu. Potencialne luknje v kristalu. Pasovna struktura kristala. Prosti elektronski plin.
predstavitev, dodana 03.04.2019
Glavni približki, na katerih temelji teorija pasov. Kristalna mreža polprevodnika, njeni energijski nivoji. Prisotnost elektronov v prevodnem pasu ali prisotnost prostih položajev v valenčnem pasu, ki je nujen za pojav električne prevodnosti.
povzetek, dodan 30.06.2015
tečajna naloga, dodana 09.06.2015
Značilnosti določanja pasovne strukture vzdolž danih smeri v Brillouinovi coni. Določitev položaja akceptorskih stanj nečistoč EA in vrednosti efektivnih mas na njem. Sestavljanje bloka številskih vrednosti za glavne parametre polprevodnikov.
test, dodan 23.12.2009
Elektronska zgradba atomov prehodnih elementov. Fizikalne lastnosti redkih zemeljskih kovin, njihova uporaba. Rešitev Schrödingerjeve enačbe za kristal. Sodobne metode za izračun pasovne strukture. Izračun elektronskega energijskega spektra neodija.
diplomsko delo, dodano 27.08.2012
Razvoj idej o zgradbi atomov na primeru modelov Ernesta Rutherforda in Nielsa Bohra. Stacionarne orbite in nivoji energije. Razlaga izvora črtastih emisijskih in absorpcijskih spektrov. Prednosti in slabosti teorije N. Bohra.
povzetek, dodan 19.11.2014
Elektrofizikalne lastnosti polprevodnikov. Zgradba polprevodniških kristalov. Elementi pasovne teorije trdnih teles. Mikrostrukturne študije vpliva elektronskega obsevanja na električne karakteristike polprevodniških elementov.
tečajna naloga, dodana 18.09.2015
Značilnosti elektrostatične interakcije med elektroni v atomih. Enačba celotne potencialne energije elektrona. Koncept in primeri elektronskih konfiguracij atoma. Izračun energij stanj. Zaporedje polnjenja elektronskih lupin.
predstavitev, dodana 19.02.2014
Iskanje učinkovitih metod poučevanja teorije rotacijskega gibanja v specializiranih razredih s poglobljenim študijem fizike. Preučevanje gibanja materialne točke v krogu. Koncept dinamike rotacijskega gibanja togega telesa okoli nepremične osi.
Samo na podlagi modela elektronskega plina ni mogoče razložiti dejstva, da so nekatere snovi prevodniki, druge polprevodniki in tretje izolatorji. Vredno je upoštevati interakcijo med atomi in elektroni. Predpostavimo, da kristalna mreža kovine ali polprevodnika nastane kot posledica približevanja atomov. Vez z atomskimi jedri valenčnih elektronov kovinskih atomov je veliko šibkejša od vezi s podobnimi elektroni polprevodnikov. Ko se atomi približajo, pridejo elektroni v interakcijo. Posledično valenčni elektroni prekinejo svojo vez s kovinskimi atomi, zaradi česar se prosto gibljejo po kovini.
Definicija 1
Pri polprevodnikih je treba zaradi bistveno močnejše vezi med elektroni in atomskimi jedri, da bi prekinili vez valenčnega elektrona, le-temu posredovati t.i. ionizacijska energija.
Pri različnih polprevodnikih lahko ionizacijska energija variira od 0,1 do 2 eV, medtem ko je povprečna kinetična energija toplotnega gibanja atoma blizu 0,04 eV.Število atomov, katerih energija je višja ali enaka ionizacijski energiji, je relativno majhna. V skladu s tem v polprevodnikih ni veliko prostih elektronov. Z naraščanjem temperature se povečuje število atomov z ionizacijsko energijo, kar pomeni, da se povečuje tudi električna prevodnost polprevodnika.
Proces ionizacije vedno spremlja inverzni proces, in sicer rekombinacija. V ravnotežnih pogojih je povprečno število ionizacijskih dogodkov enako številu rekombinacijskih dogodkov.
Koncept pasovne teorije
Definicija 2Kvantna teorija električne prevodnosti Teorija trdnih snovi temelji na tako imenovani pasovni teoriji trdnih snovi, ki je sestavljena iz preučevanja energijskega spektra elektronov.
Definicija 3
Ta spekter je razdeljen na območja, ločena s prepovedanimi vrzelmi. Če v zgornjem območju, kjer je določena prisotnost elektronov, ne zapolnijo vsakega od kvantnih stanj (znotraj območja se lahko izvede prerazporeditev energije in gibalne količine), potem je ta snov prevodnik. Takšna cona se imenuje prevodne cone, snov - prevodnik električnega toka, vrsta prevodnosti takšne snovi je elektronski.
Če je v prevodnem pasu veliko število elektronov in prostih kvantnih stanj, je vrednost električne prevodnosti velika. Elektroni v prevodnem pasu pri prehodu električnega toka so opredeljeni kot nosilci naboja. Proces gibanja takih elektronov je mogoče opisati z zakoni kvantne mehanike. Če ga primerjamo s skupnim številom elektronov, potem lahko število takih elektronov štejemo za majhno.
Energijske ravni valenčnega elektrona v posameznem izoliranem atomu lahko predstavimo na način, prikazan na sliki 1. Na sliki 1 so od spodaj navzgor navpično narisane: vrednosti skupne energije elektrona in tudi najmanjša energija prevodnih elektronov E c z največjo vrednostjo energije vezanih elektronov E v. Verjetne vrednosti energij elektronov zapolnjujejo določeno območje ali tako imenovano energijsko območje W ≥ E c . To območje je prevodno območje. Energije veznih elektronov tvorijo drug pas z W ≤ E v. Ta pas se imenuje pas valenčnih elektronov ali z drugimi besedami valenčni pas. Ta območja so ločena z energijsko režo s širino, določeno z naslednjim izrazom: E g = E c − E v.
Ta energijska vrzel je območje prepovedanih energij. V odsotnosti atomov nečistoč, kot tudi napak v mreži, stacionarna gibanja elektronov z energijo znotraj prepovedanega pasu niso mogoča.
Slika 1
Definicija 4
Proces prekinitve kemične vezi, ki izzove pojav prevodnega elektrona in pozitivne luknje, imenujemo elektronski prehod.
Definicija 5
Valenčni pas- prevodno območje (glej sliko 1, številka 1).
Obratni proces je definiran kot rekombinacija prevodnega elektrona in pozitivne luknje (elektronski prehod 2, slika 1). V pogojih obstoja atomov nečistoč je verjeten nastanek diskretnih dovoljenih energijskih nivojev, kot je na primer nivo E d, prikazan na sliki 1. Ti nivoji morda ne obstajajo v celotnem volumnu kristala, ampak le na lokacijah nečistoč (takšni nivoji so opredeljeni kot lokalni). Vsaka od lokalnih ravni proizvaja energijo elektrona, če se nahaja na atomu nečistoče. Lokalni elektronski nivoji omogočajo dodatne elektronske prehode. Kot primer je na sliki 1 prikazana ionizacija donorja s tvorbo prevodnega elektrona v obliki elektronskega prehoda 3. Vlogo inverznega procesa zajetja elektronov na donorski atom igra elektronski prehod 4 iz prevodnega pasu na nezapolnjeno raven darovalca.
Oblikovanje energetskih con
Iz rešitve problema gibanja elektronov v periodičnem potencialnem polju lahko sklepamo, da obstaja sistem območij dovoljenih energij (slika 2). Vsaka od con je od spodaj omejena z določeno energijo W m i n ali drugače povedano z dnom cone, od zgoraj pa s tako imenovanim stropom cone W m a x . Ta območja so ločena s pasovi prepovedanih energij. Širina dovoljenih območij se povečuje z večanjem energije. Možno je, da se široka območja med seboj prekrivajo; ta pojav izzove nastanek ene same kompleksne cone. Recimo, da obstaja N izoliranih atomov, ki nikakor ne medsebojno delujejo. V vsakem od teh atomov se lahko energija elektronov spreminja le v obliki skoka, zato je zanjo značilna zbirka ostrih, diskretnih energijskih ravni. V danem sistemu atomov, ki niso v interakciji, vlogo vsake atomske energijske ravni igra N sovpadajočih energijskih ravni. Zmanjšujemo razdaljo med atomi, dokler ne nastane kristalna mreža. Atomi začnejo delovati med seboj in energijske ravni se spremenijo. Prej sovpadajoče ravni N energije se začnejo razhajati. Takšen sistem divergentnih energijskih nivojev imenujemo dovoljeno energijsko območje.
Izkazalo se je, da energijski pasovi nastanejo kot posledica cepitve diskretnih energetskih ravni elektronov v atomih, ki jih povzroči delovanje atomov rešetke. Število energijskih nivojev v vsaki od con je izjemno veliko (po vrstnem redu števila atomov v kristalu), energijski nivoji se nahajajo precej blizu. Tako lahko v nekaterih primerih domnevamo, da se znotraj pasov energija elektronov nenehno spreminja (kot se dogaja v klasični teoriji). Vendar pa je bistvenega pomena dejstvo, da je število ravni končno. Niz energijskih nivojev, na katere je razdeljen več nivojev, predstavlja tako imenovano energetsko cono ali z drugimi besedami kristalno cono. Območje, ki nastane kot posledica razcepa N-krat degeneriranega nivoja tal, se imenuje glavna cona, vse ostale cone pa so opredeljene kot cone vzbujanja.
Opomba 1
Energijskih con ni mogoče identificirati s prostorskimi conami, regijami prostora, v katerih se nahaja elektron.
V okviru pasovne teorije je sprejeto dejstvo, da se elektron giblje v konstantnem električnem polju, ki ga tvorijo ioni in drugi elektroni. Ioni imajo relativno velike mase in veljajo za nepremične. Elektroni se preštejejo skupaj. Opredeljeni so kot negativno nabita tekočina, ki zapolnjuje prazen prostor med ioni. V takem modelu je vloga elektronov kompenzirati naboj ionov. Električno polje modela je periodično v prostoru; prostorske periode mreže prevzamejo mesto period. Naloga se zmanjša na problem gibanja enega elektrona v konstantnem periodičnem polju. Rešitev tega problema v kvantni mehaniki vodi do pasovne strukture energijskih nivojev.
Primer 1
Podajte opis pasovnih struktur kovin, dielektrikov in polprevodnikov.
rešitev
Električne lastnosti teles so odvisne od širine energijske vrzeli in razlik v zapolnjenosti dovoljenih con. Obstoj ravni proste energije v dovoljenem pasu je nujen pogoj za pojav prevodnosti. Polje zunanjih sil lahko prenese elektron na ta nivo. Območje, ki je prazno ali le delno napolnjeno, je definirano kot prevodno območje. Po drugi strani se pas, popolnoma napolnjen z elektroni, imenuje valenca. Kovine, dielektriki in polprevodniki se razlikujejo po stopnji zapolnjenosti valenčnega pasu z elektroni, pa tudi po širini prepovedanega pasu. Pri kovinah je prevodni pas delno zapolnjen in ima proste zgornje nivoje. Pod pogojem T = 0 valenčni elektroni v parih zapolnjujejo spodnje nivoje valenčnega pasu. Za elektrone, lokalizirane na zgornjih nivojih, je za prenos na višje nivoje dovolj, da dovedemo energijo 10 - 23 - 10 - 22 e V. V dielektrikih je prvo, nenapolnjeno območje, ločeno od popolnoma napolnjenega. spodnje območje s široko pasovno vrzeljo. Za prenos elektrona v prosti pas je potrebno zagotoviti energijo, ki je večja ali enaka širini prepovedanega pasu. Razmak med dielektriki je enak več elektronvoltov. Toplotno gibanje nima zmožnosti prenosa velikega števila elektronov v prosto območje. V kristalnih polprevodnikih je pasovna vrzel med popolnoma zapolnjenim valenčnim pasom in prvim nezapolnjenim pasom precej majhna. Če je širina prepovedanega pasu enaka več desetinkam eV, je energija toplotnega gibanja zadostna za prenos elektronov v prosti prevodni pas. V tem primeru je verjeten prehod elektrona znotraj valenčnega pasu na izpraznjene ravni.
Primer 2
Naštejte glavne predpostavke pasovne teorije.
rešitev
Glavne predpostavke pasovne teorije so naslednje:
- Ioni na mestih kristalne mreže veljajo za nepremične, saj imajo relativno veliko maso.
- Ioni so viri električnega polja. To polje deluje na elektrone. Postavitev pozitivnih ionov je periodična, saj se nahajajo na mestih idealne kristalne mreže.
- Interakcija elektronov se nadomesti z učinkovitim zunanjim poljem. Elektroni medsebojno delujejo v skladu s Coulombovim zakonom. Ta predpostavka nam omogoča, da problem več elektronov nadomestimo s problemom enega elektrona.
Če v besedilu opazite napako, jo označite in pritisnite Ctrl+Enter
Polprevodnik je snov, ki se po električni prevodnosti nahaja med prevodnikom in dielektrikom (imata ozko vrzel), od prevodnika pa se razlikuje po močni odvisnosti prevodnosti od zunanjih vplivov in koncentracije nečistoče.
1.1 Pasovna teorija polprevodnikov
Če elektron atoma v kristalni mreži ostane vezan na jedro, je v valenčnem pasu; če se odcepi od jedra, je v prevodnem pasu. Med tema conama je prepovedano območje. Elektron ne more imeti takšne energije (slika 1-1).
Slika 1-1 Energijske cone
Polprevodniške lastnosti imajo lahko tako preproste snovi, na primer diamant C, telur Te, selen Se (rdeč), sivi kositer - Sn, kot kemične organske in anorganske spojine: galijev arzenid GaAs, indijev antimonid InSb, indijev fosfid InP, silicij. karbid SiC, benzen, naftalen, naftacen itd. Tipična predstavnika polprevodnikov sta elementa četrte skupine periodnega sistema: germanij Ge in silicij Si.
Polprevodniški atomi v kristalni mreži so med seboj povezani s parnimi elektronskimi (kovalentnimi) vezmi. Te vezi so krhke in se zlahka zlomijo zaradi ogrevanja, razsvetljave ali elektrifikacije.
Vezi so krhke in se zlahka zlomijo s segrevanjem, osvetlitvijo ali elektrifikacijo (slika 1-2).
Slika 1-2 Kristalna mreža polprevodnika
Ko elektron odstranimo, ostane luknja, ki ima pozitiven naboj, enak naboju elektrona. V čistem polprevodniku je število elektronov in lukenj enako n p =n n =n i.
Število nosilcev naboja n i =Ae ΔE /kT – odvisno od temperature in prepovedanega pasu.
Vsako kovalentno vez tvori par elektronov, sestavljen iz enega elektrona iz prvega in enega iz drugega atoma. V kemično čistem polprevodniku so vse kovalentne vezi zapolnjene in pri temperaturi absolutne ničle polprevodniki za razliko od kovin nimajo prostih nosilcev naboja. Ko se temperatura okolice poveča, se nekateri elektroni vzbujajo in se, ko prekinejo kovalentno vez, premaknejo v prevodni pas, kar ustvari lastno elektronsko prevodnost polprevodnika. Ob tem se v polprevodniku pojavi nezapolnjena kovalentna vez - luknja. Takšno vez lahko obnovimo na račun elektrona iz sosednjega atoma, tj. uničenje sosednje kovalentne vezi. Ponavljajoče se ponavljanje takšnih situacij ustvarja videz luknje, ki se premika po celotnem volumnu kristala, ki s pozitivnim nabojem ustvarja lastno luknjo prevodnost polprevodnika. Proces generiranja parov elektron-luknja se lahko pojavi ne le pod vplivom toplote, ampak tudi zaradi kakršnih koli procesov, ki lahko elektronu zagotovijo toliko energije, da pretrga kovalentno vez. Proces generiranja vedno spremlja obratni proces - rekombinacija, to je povezava elektrona z luknjo, da nastane nevtralni atom. Posledično pri stalnih zunanjih pogojih v polprevodniku nastopi ravnotežje, v katerem je število generiranih parov nosilcev naboja enako številu rekombinantnih.
1.2 Polprevodniki z nečistočami
V čistem polprevodniku tvorba para zahteva veliko energije in njegova prevodnost pri sobni temperaturi je zelo nizka.
Prevodnost je mogoče znatno povečati z dopiranjem polprevodnika s trivalentnimi ali petvalentnimi primesmi. V pentavalentni nečistoči (antimonu Sb, fosforju P, arzenu As) en elektron ne sodeluje v kovalentnih vezeh in zlahka preide v prosto cono, ko dobi veliko manj energije od tiste, ki je potrebna za prekinitev kovalentne vezi. Kot rezultat, atom nečistoče, ko je oddal elektron, postane stabilen, negibljiv pozitivni ion. Takšne nečistoče imenujemo donorske nečistoče. in z njimi dopirani polprevodniki so polprevodniki n-tipa. Prevodnost primesnega polprevodnika običajno imenujemo primesna prevodnost. Večinski nosilci naboja v polprevodniku n-tipa so elektroni, manjšinski pa luknje.
Trovalentni atom nečistoče, nasprotno, teži k temu, da vzame elektron od najbližjega atoma polprevodnika, da zapolni četrto kovalentno vez. V tem primeru nastane stabilen negativni ion in luknja.Polprevodnik s takšnimi nečistočami se imenuje polprevodnik p-tipa, same nečistoče (aluminij Al, bor B, indij In.) se imenujejo akceptor. V polprevodniku p-tipa so večinski nosilci naboja luknje, manjšinski pa elektroni.
V primesnih polprevodnikih pri sobni temperaturi so skoraj vsi nečistoči atomi v vzbujenem stanju in število večinskih nosilcev, ki jih ustvarijo, je veliko večje od števila manjšinskih nosilcev, ki nastanejo zaradi običajne termične generacije parov elektron-luknja. Zaradi tega je prevodnost nečistoč veliko višja od intrinzične prevodnosti polprevodnika, v veliko manjši meri je odvisna od zunanjih dejavnikov in je določena predvsem s koncentracijo dopanta.
1.3 Polprevodniška dioda
Osnova vseh polprevodniških naprav je spoj elektronov in lukenj (p-n spoj). Nastane na meji dveh polprevodnikov z različnimi vrstami prevodnosti (poglavje 1.2). Ker je koncentracija nosilcev naboja v območju pn spoja močno nehomogena, bodo v skladu z zakoni difuzije glavni nosilci (luknje v območju "p" in elektroni v območju "n") difundirali v sosednja območja, ustvarjanje difuzijskega toka.
Manjšinski nosilci naboja (luknje v n-območju in elektroni v p-območju) se bodo začeli premikati v nastalem električnem polju in ustvarili odnašajoči tok, usmerjen proti difuzijskemu toku. Posledično pride do dinamičnega ravnovesja, skupni tok spoja bo enak nič in na spoju se bo vzpostavila kontaktna potencialna razlika, ki znaša 0,3-0,4 V za germanijeve spoje in 0,7-1,0 V za silicijeve spoje. Če je vir emf povezan s stičiščem s pozitivnim polom na p regijo in negativnim polom na n regijo, potem se bo nastala potencialna razlika na prehodu zmanjšala. Spoj se bo odprl in začel prevajati tok zaradi povečane difuzije večinskih nosilcev naboja iz n-regije v p-regijo. V tem primeru se bo driftni tok skozi spoj zmanjšal. To vključitev prehoda običajno imenujemo vključitev v smeri naprej (neposredno pristranski prehod).
Slika 1-3 Neposredna povezava p-n spoja
Uporaba napetosti v nasprotni smeri (plus na n in minus na p-območje) bo vodila do povečanja potencialne razlike na stičišču in s tem do zmanjšanja difuzijskega toka in povečanja odnašajočega toka. Ker driftni tok ustvarjajo manjšinski nosilci naboja, ki so v polprevodniku veliko manjši od večinskih, bo skupni tok skozi spoj zelo majhen. To prehodno stanje se običajno imenuje zaprto.
Slika 1-4 Povratna povezava p-n spoja.
V odsotnosti zunanjega električnega polja je difuzijski tok enak prevodnemu toku.
I prehod =I diff -I prov =0.
1. Če uporabljeno zunanje polje poveča prehodno polje (+ na plast n), se bo I diff zmanjšal, I prov pa povečal.
I prehod = -I 0 (povratni tok).
2. Če oslabite prehodno polje (+ k sloju p), se I diff poveča, I prov zmanjša. I prehod >> I 0, I prehod = I ave.
Zato se pn spoj imenuje polprevodniška dioda.
Njegova oznaka v diagramih je + p 
-n
Polprevodniške naprave, sestavljene iz enega pn spoja in zasnovane za usmerjanje izmeničnega toka, se imenujejo usmerniške diode. Takšne diode uporabljajo glavno lastnost spoja - sposobnost, da dobro vodijo tok samo v eni smeri.
Značilnosti polprevodniške diode
Slika 1-5 Napredna in vzvratna veja značilnosti diode
Glavni parametri usmerniške diode: največja vrednost popravljenega toka Irect, padec napetosti naprej na stičišču pri največjem popravljenem toku Urem, največja dovoljena povratna napetost Uo6p, vrednost povratnega toka Io pri Uo6p. Običajno Ivyp = 10 mA - 10 A; Unp = 0,2 - 1,5 V; Uo6p = 10 V – 1 kV Io = 1 µA - 100 µA.
Če povratna napetost v usmerniški diodi preseže prebojno napetost Uprob (običajno Uo6p = 0,8 Uprob), se bo tok močno povečal in dioda ne bo uspela, kar je razloženo s povečanjem števila nosilcev v območju stika pod vplivom udarne ionizacije v močnem električnem polju in posledične povečane toplotne generacije segretega spoja.
Označevanje (označevanje) diod
Za označevanje diode se uporabljajo črke in številke:
G (ali 1) - germanijeva dioda; K (ali 2) – silicijeva dioda.
Slika 1-6 Videz polprevodniških diod
1.4 Zener dioda
S povečanjem koncentracije nečistoč (poglavje 1.2) je v silicijevih diodah mogoče doseči reverzibilnost procesa električnega preboja. V tem primeru se na obratni veji tokovno-napetostne karakteristike (poglavje 1.3) oblikuje odsek, v katerem velike spremembe toka skozi spoj povzročijo majhne spremembe napetosti (slika 1-7). Diode s takšno tokovno-napetostno karakteristiko imenujemo zener diode ali referenčne diode, saj se uporabljajo za stabilizacijo napetosti.
Slika 1-7 Volt-amperske karakteristike zener diode
Glavni parametri zener diod so: Imin, Imax, najmanjši in največji stabilizacijski tokovi, ki določajo delovni odsek tokovno-napetostne karakteristike. Običajno je vrednost Imin v območju od 3 mA do 100 mA, Imax pa od 10 mA do 3 A.
Ustabil.nom - nazivna stabilizacijska napetost, običajno od 1 do 200 V;
Rdin = dU/dI - dinamični upor, kjer dI, dU - prirast toka in napetosti v delovnem delu tokovno-napetostne karakteristike, običajno Rdin = 10-100 Ohmov.
Pri zener diodi ostane vzvratna napetost pod pogojem skoraj konstantna
I arr max>= I>= I arr, min.
Slika 1-8 Priključni diagram zener diode
U nestabilno = U stabilno +I škrbina R omejeno
U stab = 3,3 V – 150 V
I stab, min = 2 – 5 mA
I stab, max = 30 – 500 mA
Stabilizacijske lastnosti so označene s stabilizacijskim koeficientom:
K vbod = (ΔU unstab U vbod) / (U unstab ΔU vbod) K vbod = 5-10.
Za povečanje koeficienta stabilizacije se uporablja kaskadna povezava stabilizacijskih celic.
Slika 1-9 Kaskadna povezava zener diod
Pomanjkljivost večceličnega stabilizatorja so velike izgube napetosti na omejevalnih uporih. Za povečanje stabilizirane napetosti se uporablja serijska povezava zener diod.
Slika 1-10 Serijska povezava zener diod
Če so zener diode vklopljene nasprotno, potem ko se nanje nanese izmenična napetost, pride do dvosmerne omejitve izhodne napetosti (slika).
Slika 1-11 Vzajemna povezava zener diod
Vzporedna povezava zener diod se ne uporablja, ker v trenutku vklopa se vedno odpre zener dioda z najmanjšim Ustabilom, preostale zener diode pa ostanejo zaprte.
Slika 1-12 Videz zener diod
1-zener dioda z nizko močjo;
2-močna Zener dioda z montažo na hladilnik
1.5 Tranzistorji
1.5.1 Zgradba tranzistorja
Tranzistor je troslojna polprevodniška naprava s plastmi izmeničnega tipa prevodnosti (poglavje 1.2). Obstajajo pnp in npn tranzistorji.
Slika 1-13 Struktura tranzistorja
Oddajnik– p-polprevodnik z velikim številom nečistoč.
Osnova– n-polprevodnik z majhno količino nečistoč. Osnovna plast je zelo tanka, približno 1 mikron.
Zbiralec– p polprevodnik s povprečno količino nečistoč. Spoj emiter-baza se imenuje emiterski spoj, spoj baza-kolektor pa kolektorski spoj.
Najpogosteje se tranzistor vklopi tako, da se v smeri naprej vklopi emiterski spoj, v obratni smeri pa kolektorski spoj.
Ko je tranzistor vklopljen, se iz emitorja v bazo vbrizga veliko število lukenj, ki se z difuzijo širijo skozi bazo, dosežejo kolektorski spoj in jih ta povleče vase, kar tvori velik kolektorski tok. Jaz k- ≈I e, ampak jaz k-< I э. Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:
I e = I b + I k in I k = αI e + I k0, kjer je α koeficient prenosa toka tranzistorja, povezanega po vezju s skupno bazo (CB). α=0,9 – 0,995.
Slika 1-14 Simboli tranzistorjev
Slika 1-15 Videz tranzistorjev različnih moči
1.5.2 Vezja tranzistorjev
1. Shema s skupno bazo (CB)
Slika 1-16 OB diagram
Za ojačanje signala se lahko uporabi tranzistor. Če je U kb >> U eb in R k >> Re, potem bo pri skoraj enakih tokovih v tokokrogih oddajnika in kolektorja prišlo do bistveno večjega padca napetosti na R k kot na R e, to je, da se napetost poveča, in s tem moč signala.
2. Vezje skupnega oddajnika (CE):
Slika 1-17 OE diagram
Tranzistor, povezan po OE vezju, ojača napetost in tok. I e = I k + I b in I k = βI b + (β+1)I kb0, kjer je β koeficient prehoda toka v vezju s skupnim emitorjem. β=α/(1-α), odvisno od debeline podlage in je v območju β=10 – 200.
3. Vezje s skupnim kolektorjem (OK)
Slika 1-18 OK vezje
V tem krogu U izhod< U вх, но U вых ≈ U вх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз. Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).
1.5.3 Značilnosti tranzistorja (vezje OB)
Slika 1-19 1.2 Vhodne in izhodne karakteristike
1. Vhodne karakteristike: I e =f(U eb) pri U kb =const.
2. Izhodne karakteristike: I k =f(U kb) pri I e =const.
3 Značilnosti prepustnosti: I k =f(I e) pri U kb =const.
Slika 1-19 Karakteristika pretoka
Pri Uk = 0 je vhodna karakteristika direktna veja emiterskega p-n spoja BAX. Z naraščanjem Ukb se tokovno-napetostna karakteristika premakne v levo, saj povečanje reverznega kolektorskega toka dodatno odpre p-n spoj in Ie ≠ 0 pri Ueb = 0. Pri Ie = 0 je izhodna karakteristika reverzna veja kolektorsko stičišče. Če je Ie> 0, potem je Ik> 0 tudi pri Ukb = 0 zaradi zajetja nosilcev naboja, ki jih vbrizga emiter, s poljem potencialne pregrade kolektorskega spoja. V tem primeru s povečanjem Ueb Ie hitro doseže največjo vrednost, saj tudi pri nizkem Ueb večji del vbrizganih nosilcev zajame kolektor.
1.5.4 Fizični model tranzistorja
Pri izračunu elektronskih vezij se pravi tranzistor v vezju nadomesti s spodnjim modelom, ki precej natančno odraža njegove lastnosti.
Slika 1-20 Fizični model tranzistorja
R e =10 – 30 Ohm, R b =100 – 300 Ohm, R k =10 4 - 10 5 Ohm
Tranzistor lahko obravnavamo kot štiriterminalno omrežje:
Slika 1-21 Tranzistor kot štiripolno omrežje
Potem ga lahko opišemo s sistemom parametrov h:
Za določitev h-parametrov bomo uporabili metodo kratkega stika in odprtega kroga.
a) Kratek stik na izhodu. Zato je U 2 =0.
h 11 =Z vhod - vhodni upor
h 21 b =α – tokovni dobiček v vezju s skupno bazo
h 21 E =β - tokovni dobiček v vezju s skupnim emitorjem
b) prosti tek na vhodu (I 1 =0), potem
U 1 =h 12 U 2 , h 12 =U 1 /U 2 – napetostni povratni koeficient
I 2 =h 22 U 2, h 22 =I 2 /U 2 =y out - izhodna prevodnost.
1.5.5 Tranzistorji z učinkom polja (kanalni) (FET)
FET je polprevodniška naprava, v kateri tok skozi kanal nadzira električno polje, ustvarjeno z uporabo napetosti med vrati in virom. V PT se za razliko od bipolarnega tranzistorja (poglavje 1.5.1) po polprevodniškem kanalu gibljejo nosilci naboja samo enega predznaka (samo elektroni ali samo luknje).
Kanal je območje v tranzistorju, katerega upor je odvisen od potenciala vrat. Elektroda, iz katere glavni nosilci naboja vstopajo v kanal, se imenuje izvor, elektroda, skozi katero glavni nosilci naboja zapuščajo kanal, pa se imenuje odtok. Elektroda, ki uravnava prečni prerez kanala, se imenuje vrata.
PT so izdelani iz silicija in so glede na električno prevodnost izvornega materiala razdeljeni na tranzistorje s kanali tipa p in n.
Tranzistor z učinkom polja z vrati v obliki p-n spoja
To je polprevodniška naprava, v kateri je mogoče nadzorovati prevodnost kanala z uporabo napetosti na zaprtem p-n spoju. Slika 1-22 prikazuje strukturo, povezovalni diagram in simbol PT s kanalom tipa n in vrati v obliki p-n spoja.
V n-kanalnem FET so glavni nosilci naboja v kanalu elektroni, ki se premikajo vzdolž kanala od vira z nizkim potencialom do odvoda z višjim potencialom in tvorijo odvodni tok. Iс. Med vrati in izvorom se uporabi napetost, ki blokira p-n spoj, ki ga tvorita n-regija kanala in p-regija vrat.
Zato je v PT s kanalom tipa n Uс>0, Uз<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.
Slika 1-22 Tranzistor z učinkom polja
1-odvodni terminal; 2-vrata; 3-kanalni; 4-odvodni terminal; 5-odvodni terminal
Slika 1-23 prikazuje, kako se spremeni prečni prerez kanala zaradi sprememb v širini blokirne plasti, ko se med elektrodama tranzistorja dovaja napetost. Ko se na pn spoj med vrati in kanalom (slika 1-23a) uporabi blokirna napetost, se pojavijo enotne plasti, ki so osiromašene z nosilci naboja in imajo visoko upornost, kar vodi do zmanjšanja širine kanala.
Slika 1-23. Prekrivanje enosmernega kanala pri različnih napetostih na elektrodah
Napetost med odtokom in izvorom (sl. 1-236) povzroči nastanek neenakomerne izčrpane plasti, saj se potencialna razlika med vrati in kanalom poveča v smeri od vira do odtoka in najmanjši presek kanala se nahaja v bližini odtoka.
Če hkrati uporabite napetost Usi>0 in Uzi<0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.
Odvisnost odtočnega toka Ic od napetosti Usi pri konstantni napetosti na vratih Uzi je določena z izhodno ali odtočno karakteristiko (slika 1-24).
Slika 1-24 Izhodna tokovno-napetostna karakteristika enosmernega transformatorja s kanalom tipa n.
V začetnem delu značilnosti Uс + |Uз|< Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.
Na osnovi izhodnih karakteristik PT je možno konstruirati prehodno karakteristiko Ic = f(Uzi). V območju nasičenja je praktično neodvisen od napetosti Uс.
Vhodna karakteristika PT: Iз = f (Uз) se ne uporablja, ker je prehod med vrati in kanalom zaprt, tok vrat je zelo majhen in ga je mogoče zanemariti.
Tranzistor z efektom polja z izoliranimi vrati
To je polprevodniška naprava, v kateri je za nadaljnje zmanjšanje toka uhajanja vrat Iz med kovinskimi vrati in kanalom tanka plast dielektrika (SiO2) in ni p-n spoja. Takšni PT se imenujejo tranzistorji MOS (struktura kovina - dielektrik - polprevodnik).
Slika 1-25 Tranzistor z učinkom polja z izoliranimi vrati
Tokovno-napetostne karakteristike PT z izoliranimi vrati so podobne karakteristikam PT z vrati v obliki p-n spoja. Toda izolirana vrata omogočajo tudi delovanje pri napetosti Uzi>0, ko se kanal razširi in se tok Ic poveča.
Glavni parametri PT:
1) naklon prehodnega odziva S = dIc/dUз pri Uс = const in
2) diferenčni upor odtoka (kanala) v odseku nasičenja Rc = dUс/dIс pri Uз = const.
1.6 Druge polprevodniške naprave
1.6.1 Tiristorji
Sl.1-26 Tiristor
Tiristor je štirislojna polprevodniška naprava.. Vsebuje štiri plasti izmenične vrste prevodnosti (poglavje 1.5.1), ki tvorijo tri stičišča (sl. 1-25).Vzhodna napetost se uporablja za zunanje plasti, vendar srednja 2. spoj je vklopljen v obratni smeri in tok v verigi je zelo majhen (odsek 1). Pri določeni napetosti U on se začne plazovita razčlenitev in tok se močno poveča (odsek 3) - tiristor se vklopi.
Izhod krmilne elektrode je povezan s srednjim p (ali n) slojem U. Z uporabo nizkega nadzora napetosti U lahko zmanjšate preklopno napetost U vklj.
Slika 1-27 prikazuje postopek vklopa tiristorjev s krmilno elektrodo.Tiristor je priključen med izvorom in bremenom R breme. Ker je U jama< U вкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины I выкл. При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.
Slika 1-27 Tiristorsko krmilno vezje
1.6.2 Fotoelektronske polprevodniške naprave
Obstajajo številne diode, ki uporabljajo različne pojave in učinke, ki se pojavijo v p-n spoju (poglavje 1.3). Tako varicap (napetostno nadzorovana kapacitivnost) uporablja odvisnost kapacitivnosti reverzno prednapetega spoja od uporabljene napetosti. Fotodioda temelji na pojavu generiranja nosilcev naboja v prehodnem območju in pojavu fotonapetosti pod vplivom svetlobe. LED temelji na lastnosti parov elektron-luknja, da oddajajo kvant svetlobe, ko se rekombinirajo itd.
Slika 1-28 Vrste optoelektronskih naprav
Slika 1-29 Fotodioda v načinu generiranja fotoEMF.
Ko je prehod p-n osvetljen, se kovalentne vezi prekinejo, nastali manjšinski nosilci (poglavje 1.5.1) se s prehodom potegnejo vase, v plasteh pa se poveča število večinskih nosilcev (v p-plasti - luknje, v plasti n-plast - elektroni), ki ustvarja potencialno razliko med plastmi, odvisno od osvetljenosti prehoda (slika 1-29).
Slika 1-30
Če je vir emf vključen v vezje fotodiode v obratni smeri (slika 1-30), se med osvetlitvijo poveča število nosilcev in povratni tok se poveča sorazmerno z velikostjo svetlobnega toka F. Nastali tok je skoraj neodvisen od velikosti uporabljene napetosti (slika 1-31).
Slika 1-31 I-V karakteristike fotodiode Slika 1-32 Vklop LED
LED je oddajno pn-spoj, katerega sijaj povzroči rekombinacija nosilcev, ko je spoj nagnjen v smeri naprej pod vplivom uporabljene napetosti (slika 1-32).
Fototranzistor je navaden tranzistor (poglavje 1.5.1), v ohišju katerega je okno, skozi katerega vstopa svetlobni tok v bazo.Ko je baza fototranzistorja osvetljena, se nastali nosilci povlečejo vase s prehodi, in bazni tok se poveča. To povzroči bistveno večjo spremembo kolektorskega toka, saj je tranzistor povezan z virom EMF.
Optični sklopnik je polprevodniška naprava, pri kateri se signali prenašajo od vhodnega do izhodnega dela elektronske naprave s pomočjo fotonov, brez uporabe galvanskih, magnetnih ali drugih povezav.
Optični sklopnik je sestavljen iz svetleče diode, katere optično sevanje deluje na svetlobni sprejemnik - fotoupor, fototiristor ali fototranzistor. Oba polprevodniška elementa sta nameščena v skupnem ohišju. Vodniki iz LED so vhod, vodi iz sprejemnika svetlobe pa so izhod optičnega sklopnika. Velikost izhodnega signala optičnega sklopnika se krmili s spreminjanjem velikosti vhodnega signala.
1.6.3 Integrirana vezja
Mikrovezje je strukturno popoln mikroelektronski izdelek, ki opravlja določeno funkcijo pretvorbe informacij, ki vsebuje niz električno povezanih električnih radijskih elementov (tranzistorji, diode, upori, kondenzatorji itd.), Izdelanih v enem samem tehnološkem ciklu.
Mikrovezja se izdelujejo po skupinski metodi, pri čemer se v eni seriji istočasno replicira od nekaj deset do več deset tisoč mikrovezij. Glede na oblikovno in tehnološko zasnovo delimo mikrovezja v tri skupine: polprevodniška. film in hibrid. Pri polprevodniškem integriranem vezju so vsi elementi in medelementne povezave izvedeni v volumnu in na površini polprevodniškega substrata, pri filmskem integriranem vezju pa so vsi elementi in povezave med njimi v obliki filmov. pasivni elementi mikrovezij - upori, kondenzatorji in induktorji - so izvedeni s filmsko tehnologijo. V hibridnem mikrovezju se kot aktivni elektroradijski elementi uporabljajo nameščene diskretne polprevodniške naprave ali polprevodniška integrirana vezja, kot pasivni elementi pa filmski upori, kondenzatorji, induktorji in filmski prevodniki, ki jih povezujejo.
Mehanska osnova takšnega mikrovezja je dielektrični substrat, ki opravlja funkcije mehanske osnove in izolira elemente drug od drugega. hladilno telo Podlage so na voljo v obliki tankih okroglih ali pravokotnih plošč.
Za polprevodniška mikrovezja uporabljamo monokristalne polprevodniške (silicij, galijev arzenid) in monokristalne dielektrične (safir) substrate, na katerih se naknadno oblikuje plast polprevodniškega materiala, v kateri se ustvarijo elementi mikrovezja.
Indikator kompleksnosti mikrovezja je stopnja integracije vezja, ki je označena s številom elementov in komponent, ki jih vsebuje N: K = logN. kjer je K zaokrožen na najbližje večje celo število. Glede na stopnjo integracije delimo mikrovezja na:
a) Mala integrirana vezja (SIC) so vezja 1.-2.stopnje integracije, ki vsebujejo od več do 100 elementov in komponent, ki vključujejo eno ali več vrst funkcijskih analognih ali logičnih elementov. Na primer logični elementi IN, ALI, NE, flip-flopi, ojačevalniki, filtri itd.
c) Srednja integrirana vezja (SIS) - vezja 2-3 stopnje integracije, ki vsebujejo od nekaj deset do 1000 elementov in komponent, ki vključujejo eno ali več enakih funkcionalnih enot elektronskih naprav (register, števec, dekoder, samo za branje). spomin ).
d) Velika integrirana vezja (LSI) - vezja 3.-4. stopnje integracije, ki vsebujejo od nekaj sto do 10.000 elementov. ki vključujejo eno ali več funkcijskih naprav (aritmetično-logična enota, pomnilnik z naključnim dostopom, reprogramabilni bralni pomnilnik.
e) Zelo velika integrirana vezja (VLSI) so integrirana vezja 5-7 stopenj integracije, ki predstavljajo popoln mikroelektronski izdelek, ki lahko opravlja funkcije opreme (na primer mikroprocesorja).
Slika 1-33 Polprevodniški IC
Polprevodniški čipi imajo najvišjo stopnjo integracije. Slika 1-33 prikazuje polprevodniški čip pretvornika in njegov vezni diagram. Elementi so zaradi preglednosti razvrščeni v eno linijo Vsi elementi so nameščeni v eni silicijevi rezini tipa p (poglavje 1.2.1). Za izključitev medsebojnega vpliva so aktivni in pasivni elementi nameščeni v otokih, izoliranih od podlage. Na vrhu je podlaga zaščitena z izolacijsko plastjo, na katero so nanesene prevodne steze, ki povezujejo elemente med seboj.
Za proizvodnjo mikrovezij se uporablja planarna tehnologija, ki pomaga pri hkratni izdelavi velikega števila mikrovezij v enem samem tehnološkem procesu. Na eni silicijevi rezini so ustvarjene različne strukture, ki tvorijo celotno vezje, vključno z aktivnimi in pasivnimi elementi.
Glavna polprevodniška materiala, iz katerih se trenutno izdelujejo polprevodniška mikrovezja, sta silicij in germanij, vendar sta bolj obetavna. je silicij. CH je zlahka podvržen selektivni difuziji, ima večjo odpornost in vam omogoča razširitev delovnega temperaturnega območja mikrovezij. Na površini silicija se zlahka ustvari oksidni film. ki služi kot zaščitna prevleka pri številnih tehnoloških operacijah in ščiti končno vezje pred zunanjimi vplivi.
Slika 1-34 Foto maske
Po oksidaciji površine plošče je treba na njej izbrati lokalna področja, v katera naj poteka difuzija. V ta namen se uporablja metoda fotolitografije. Za izdelavo mikrovezij potrebujete več (5-20) različnih fotomask. Slika 1-34 prikazuje niz fotomask za izdelavo preprostega mikrovezja.
Opisani postopek izdelave omogoča, da naenkrat dobimo več deset mikrovezij srednje in visoke stopnje integracije, to je toliko, kolikor jih je mogoče postaviti na eno silicijevo rezino s premerom okoli 70 mm. Plošča je razdeljena na posamezne čipe. ki so zaprti v ohišju. Preliminarne kontaktne ploščice mikrovezja so povezane z vodniki na sponke ohišja.
2 ojačevalca
2.1 Osnovni parametri
Elektronski ojačevalnik je naprava, ki poveča napetost, tok in moč električnega signala s krmiljenjem toka močnega vira energije. Skoraj povsod, kjer se uporabljajo elektronske naprave, je treba električne signale ojačati, vsaka specifična naprava pa zahteva svoje parametre in karakteristike ojačevalnika. Skoraj nemogoče je izdelati že pripravljene ojačevalne naprave z zelo široko paleto, ki bi zadovoljila vsakega potrošnika. Zato je industrija obvladala proizvodnjo številnih osnovnih elektronskih ojačevalnikov, katerih parametre in karakteristike je mogoče preurejati z zunanjimi vezji, posebno mesto med njimi pa zavzemajo operacijski ojačevalniki (OA), ki so trenutno univerzalni osnovni elementi za konstruiranje elektronskih ojačevalnikov in drugih analognih komponent elektronske opreme.
Parametri in značilnosti ojačevalnikov na osnovi operacijskih ojačevalnikov
Seznam osnovnih parametrov elektronskih ojačevalnikov vsebuje več kot 30 elementov. Eden najpomembnejših parametrov je napetostni dobiček Ku - razmerje med izhodno in vhodno napetostjo ojačevalnika.
Ku =Uout /Uin.
Parametri, kot sta vhodni upor Rin in izhodni upor Rout, omogočajo ovrednotenje ujemanja elektronskega ojačevalnika z drugimi elektronskimi komponentami, povezanimi z ojačevalnikom.
Vhodni upor Rin vam omogoča izračun vpliva vhodnega vezja ojačevalnika na električne parametre priključene naprave in določite moč, ki jo porabi vhodno vezje ojačevalnika.
Rin = dUin / dIin, kjer je
dUin - povečanje napetosti na vhodu ojačevalnika;
dIin je ustrezen dUin prirastek toka na vhodu ojačevalnika.
Številni parametri, kot so mešalna napetost Ucm, vhodni tok Iin, nelinearnost ojačanja (odvisnost K od vhodne napetosti), največje nihanje izhodne napetosti in drugi, določajo razliko med lastnostmi realnih ojačevalnikov in idealnega linearnega ojačevalnik in omogočajo ugotavljanje napak pri ojačanju vhodnega signala. Za iste namene so uvedene številne značilnosti ojačevalnika - amplitudna frekvenca, fazna frekvenca, temperatura, amplituda itd., Ki omogočajo sledenje odvisnosti glavnih parametrov ojačevalnikov od parametrov signala zunanjih vezij. in okolje.
2.2 Značilnosti ojačevalnika
2.2.1 Amplitudna karakteristika
Slika 2-1 Ojačevalnik AX
AX določa odvisnost amplitude izhodnega signala (toka, napetosti ali moči) od amplitude vhodnega signala A 2 = F (A 1).
Za območje delovanja ojačevalnika je značilen njegov dinamični razpon. D db =20Lg(U 1 max /U 1 min) – dinamični razpon, izražen v decibelih (dB) (10-krat – 20 dB, 100-krat – 40 dB, 1000-krat – 60 dB itd.). Realni dinamični razpon ojačevalnika je približno 60 dB.
2.2.2 Amplitudno-frekvenčni odziv (AFC).
Slika 2-2 Ojačanje glede na frekvenco
Ojačanje ojačevalnika K se spreminja s frekvenco ojačenega signala f. Odvisnost K=F(f) vsebuje informacije o ojačanju in frekvenci.
Slika 2-3 Frekvenčni odziv različnih ojačevalnikov
Za odpravo ojačenja je uveden parameter M=K f /K 0 - koeficient frekvenčnega popačenja. Frekvenčne lastnosti določa frekvenčni odziv - to je odvisnost M=F(f), kjer je f frekvenca.
Slika 2-4 Tipičen frekvenčni odziv ojačevalnika
Najpogostejši frekvenčni odziv je tip, prikazan na sl.
Tukaj je f n spodnja mejna frekvenca, f b zgornja mejna frekvenca.
∆f=f in -f n – pasovna širina.
Če je ∆f>>f 0 – je ojačevalnik širokopasovni. Ko je ∆f< Izhodni signal ojačevalnika je mogoče fazno premakniti glede na vhod. Odvisnost tega premika od frekvence je fazno-frekvenčna karakteristika. V zvočnih frekvenčnih ojačevalnikih se fazni odziv ne uporablja, saj uho ne razlikuje faznih popačenj. Pri video ojačevalnikih so fazna popačenja strogo standardizirana, ker povzročajo velika popačenja slike. Prehodni odziv je funkcija h(t), kjer je h(t)=U 2 /U 2∞, t 0,9 -t 0,1 =t n – čas vzpona signala δ i – emisije v PC. Za video ojačevalnike t n =0,1-1μs V video tehnologiji so dopustne emisije δ i 10 %. R k je bremenski upor, na njem ∆I k ustvari padec napetosti ∆U R n =∆I na R n, ki je izhodni signal. R n = (1 – 10) kOhm; R 1, R 2 je napetostni delilnik, ki nastavi majhen pozitivni potencial na bazi glede na oddajnik. (100 – 300) kOhm; C 1 in C 2 sta ločilna kondenzatorja, ki ločujeta enosmerno komponento signala na vhodu in izhodu tranzistorja. (1 – 5) µF; RE – termični stabilizacijski upor oddajnika. Močno zmanjša spremembo toka tranzistorja, ko se segreje. (500 Ohm – 2 kOhm); S E - kondenzator, obnavlja ojačenje spremenljive komponente, zmanjšano zaradi vključitve RE. (500 - 5000) μF; Privedena vhodna napetost Uin povzroči spremembo ∆U EB, kar posledično povzroči spremembo kolektorskega toka. In sprememba kolektorskega toka povzroči spremembo ∆U k. Ker lahko Rk izberemo tako, da je dovolj velik, lahko majhne spremembe ∆U povzročijo znatno večje spremembe ∆U k, tj. signal se ojača. Parametre in značilnosti ojačevalnikov je mogoče prilagoditi s povratnimi informacijami. Povratna zveza je povezava med vhodom in izhodom ojačevalnika, pri kateri se del energije iz izhoda dovaja na vhod ojačevalnika. Naprava, ki povezuje izhodno vezje ojačevalnika z vhodnim vezjem, se imenuje povratna povezava. B je prenosni koeficient povratne povezave, običajno ga nastavijo pasivna vezja (upori, kondenzatorji, induktivnosti). Glede na način povezovanja vhodnega vezja povratne povezave B z izhodnimi sponkami ojačevalnika K ločimo povratno zvezo po napetosti (slika 1) in toku (slika 2). Glede na način povezovanja izhodnega vezja povratne povezave z vhodnimi sponkami ojačevalnika ločimo serijsko (slika 3) in vzporedno (slika 4) povratno informacijo. Glede na to, ali se izhodna napetost (tok) doda vhodni napetosti (toku) ali odšteje, se povratna informacija imenuje pozitivna (POS) oziroma negativna (NOS). Najpogosteje se uporablja OOS, ker PIC vodi v nestabilnost. Oznake na slikah 1,2,3,4: Ug - vir signala z napetostjo U; Rg - notranji (izhodni) upor vira signala; K - ojačevalnik z ojačanjem K; B - povratna povezava s koeficientom prenosa B; Rн - odpornost na obremenitev. Vsaka negativna povratna zveza (NF) povzroči zmanjšanje ojačenja in njegovo stabilizacijo. Zaporedna napetostna povratna informacija poveča Rin in zmanjša Rout. Zaporedna tokovna povratna informacija poveča Rin in poveča Rout. Vzporedna napetostna povratna zveza zmanjša Rin in zmanjša Rout. Vzporedna tokovna povratna zveza zmanjša Rin in poveča Rout. Kos - ojačanje ojačevalnika, ki ga pokriva serijska povratna napetost, se izračuna po formuli: Kos = K / (1 + K V) = Uout / Ug Rin.os in Rout.os - vhodni in izhodni upor ojačevalnika v tem primer najdemo iz odnosov: Rin os = Rin (1+ VK); (2) Rout os = Rout / (1 + BK). (3) Za vzporedni napetostni povratni sistem se Rin izračuna po formuli: Rin os = R1 + 1 / Rin + (1 + KV) (4) Določimo na primer ojačanje ojačevalnika K os, ki ga pokriva sekvenčni OOS z napetostjo na sl. 2-10. β=U os/U 2; U os =U 2 β; K=U 2 /(U 1 -U os)=U 2 /(U 1 -U 2 β); U 2 =КU 1 -КβU 2 ; U 2 =KU 1 /(1+Kβ); Zato: K os =U 2 /U 1 =K/(1+Kβ) je ojačanje ojačevalnika, ki ga pokriva negativna povratna zveza, 1+Kβ=A – globina povratne informacije; K os = K/A. Pri uvedbi OOS globine A se dobiček zmanjša za A-krat, hkrati pa se poveča nestabilnost ojačanja, ki jo povzročajo spremembe temperature in napajalne napetosti, spremembe parametrov elementov vezja, pa tudi hrup in AC ozadje. zmanjša za približno A-krat. Če je A=2 – 5, se globina povratne informacije šteje za majhno. Če je A=5 – 20 povprečna globina povratne informacije Če je A>20 globoka povratna informacija. Ojačevalnik na sliki 2-11 je prekrit s serijsko povratno napetostjo. Prenosni koeficient OS vezja je β=1 in K os =K/(1+Kβ)=K/(1+K)~1, zato se vezje imenuje emiterski sledilnik (EF). Elektronska naprava se uporablja kot izhodna stopnja, ko je kabel priključen kot obremenitev ali je upor obremenitve nizek, pa tudi za ločevanje posameznih blokov naprave.V takem ojačevalniku je tranzistor povezan po vezju OB. Primer OS v dvostopenjskem ojačevalniku Ojačevalnik na sliki 2-12 ima skupno serijsko OOS za napetost (z uporabo R os), poleg tega je prva stopnja pokrita z lokalnim serijskim OOS za tok (z uporabo R e1). Kondenzator C e1 manjka, ker bi povzročil kratek stik povratnega tokokroga. Zaporedna napetostna povratna informacija zmanjša Rout in poveča Rin za A=1+Kβ-krat. Vzporedna napetostna povratna informacija prav tako zmanjša Rout za A=1+Kβ-krat, vendar tudi zmanjša vhodni upor. Da bi ojačevalnik lahko uporabljali v najrazličnejših pogojih, je zaželeno, da je R in čim večji in R out čim manjši (slika 2-13). Zato je najpogostejši napetostni zaporedni operacijski sistem Med delovanjem se tranzistor segreje, njegov tok se poveča in normalno delovanje je moteno. Za zmanjšanje tega pojava se uporablja zaščita okolja. a) Toplotna stabilizacija z uporabo sekvenčnega OOS Slika 2-11. V tem vezju je Ue povratna napetost, Ueb=U1-Ue je krmilna napetost. Pri segrevanju se Ik poveča, Ue poveča, kar vodi do zmanjšanja Ueb in Ik, kolektorski tok se stabilizira. b) Toplotna stabilizacija z uporabo vzporednega OOS. Povratna informacija se ustvari z uporabo upora, ki je povezan med bazo in oddajnikom. S povečanjem kolektorskega toka, ko se tranzistor segreje, se padec napetosti na R do U R do =I do R do poveča, kolektorski potencial U do =U pit -U R do pade, kar zmanjša osnovni tok in s tem , kolektorski tok. Zato, ko je povezan na ta način, upor Rb ustvari OOS, ki stabilizira tok tranzistorja. To so ojačevalniki, ki ojačajo signale od frekvence f=0. Zato nikoli ne uporabljajo kondenzatorjev. Z delilnikom R 1, R 2 nastavite potencial U B = U A pri U in = 0, U out = U A - U B = 0. UPT-ji so podvrženi pojavu drifta, ki sestoji iz dejstva, da se U out počasi naključno spreminja, tudi če je U in = const. Razlogi za drift: Nestabilnost tranzistorjev in uporov pri temperaturnih spremembah, staranje elementov, Nestabilnost napajalnikov. Za zmanjšanje odnašanja se uporabljajo zelo stabilni upori, tranzistorji z nizkim odnašanjem in stabilizacija napajalne napetosti. Obstajajo metode vezja za zmanjšanje zanašanja. Eden od njih je uporaba uravnoteženih ojačevalnih vezij. Če imata tranzistorja VT1 in VT2 približno enak odmik, se sčasoma U A in U B spremenita na enak način, njihova razlika U A -U B = const, to pomeni, da se odmik bistveno zmanjša. Ko se na VT1 uporabi ojačen signal, se U AB spremeni v protifazi z U vhodom. Vhod VT2 se lahko uporablja tudi za dovajanje signalov, nato se U AB spremeni v isti fazi z U vhodom. Zato je Uin2 neposredni vhod, Uin1 pa inverzni vhod. Op-amp je ojačevalnik električnih signalov, izdelan v obliki integriranega vezja z neposrednimi povezavami (DCI) 2.4.1 in zasnovan za izvajanje različnih operacij na analognih signalih pri delu v vezjih z OOS. 1. Obračanje op-amp: Ker je Uа=U2/Kоу zelo majhen, se vhod A imenuje navidezna ničla. Upoštevamo idealen operacijski ojačevalnik z Rin =∞, Rout =0, K U,оу =∞. I=E/(R1 +Rg) (1); I 2 = -I 1 (2); I 2 = U 2 /R os (3); Nadomestimo (1) in (3) v (2), potem dobimo: U 2 /R os = -E/(R 1 +R 2); K inv =U 2 /E=-R os /(R 1 +R g) (4) Če je R g =0, potem je |K inv |=R os /R 1 Pri nastavitvi R 2 =R 1 II R os se drift ojačevalnika znatno zmanjša. R inv, inv = R 1 Operacijski ojačevalnik je pokrit s sistemom vzporedne povratne napetosti, tako da je R out.inv. =0. 2. Neinvertirajoči operacijski ojačevalnik: Op-amp je pokrit s serijo OOS v smislu napetosti (slika 2.18). V tem vezju R g ne vpliva na ojačanje.Ker sta potenciala na vhodih zelo blizu, potem je E = U R 1 = U 2 R 1 / (R 1 + R os). Zato je K not inv =U 2 /E=(R 1 +R os)/R 1 =1+R os /R 1 =1+|K inv | V drugi shemi je R os =0, torej K ni inv =1 in je repetitor. Zadevni ojačevalniki se imenujejo operacijski ojačevalniki, ker lahko izvajajo različne operacije: 1) Seštevanje signalov, dobavljenih na isti vhod. 2) Odštevanje signalov, dobavljenih na različne vhode. 3) Z vključitvijo nelinearnih elementov (diod) v vezje OS se lahko izvede logaritmiranje in potenciranje. 4) Z vključitvijo reaktivnih elementov (C) v vezje OS je mogoče izvajati operacije integracije in diferenciacije. Ojačitev lahko prilagodite s preprosto spremembo R 1 in R os (poglavje 2.4.2.1). Slabosti metode: sprememba enosmernega načina in vhodnega upora, kar povzroči nelinearno prilagoditev, ko se spremeni R 1. 1).Diskretna nastavitev Ku;
Globina povratne informacije se spreminja s stikalom v povratnem vezju. 2) Gladka namestitev K os (slika 2-20) Njihov frekvenčni odziv (poglavje 2.2.2) izgleda kot slika 2-21 Ojačevalniki so zgrajeni z uporabo frekvenčno selektivnih vezij, kot je Wienov most. To R-C vezje je vključeno v pozitivno povratno vezje operacijskega ojačevalnika (slika 2-23) Da bi se izognili samovzbujanju, mora biti ojačanje ojačevalnika s povratno zavezo KOS<3.Для этого нужно очень точно устанавливать сопротивления R1 и Rос. Selektivni ojačevalnik na osnovi 2T mosta Ker sta vhodni tok in tok v povratnem vezju enaka (slika 2-26), je izhodna napetost sorazmerna z vhodnim tokom. V tem primeru je obremenitev vključena v povratno vezje (slika 2-27). Diagram na sliki 2-28 vam omogoča prilagajanje U stab2 = -U stab1 R os / R 1 s spreminjanjem R os. Napaka: majhni tokovi, ki jih je mogoče črpati iz operacijskega ojačevalnika. Za povečanje toka na izhodu vezja je na močan tranzistor nameščen emiterski sledilnik (poglavje 2.3.2). Ko se tok obremenitve Rn poveča (na primer med kratkim stikom), se tok VT1 poveča na nesprejemljivo vrednost, hkrati pa se poveča napetost na uporu R in odpre VT2. Skozi VT2 je osnova VT1 povezana z oddajnikom in VT1 se zapre. Napetost na R ext teži k ničli. VT2 se zapre. Ponovno pride do preobremenitve in proces se ponovi, posledično ima U čep oblike (1). Za normalno delovanje vezja na sliki 2-31 je potrebno, da je tok v vezju zener diode I stab >= 1,5I op. Slabost sheme: U>U 1 +U 2, ker obstaja omejitev na R. dodatni padci napetosti. Za normalno delovanje tega vezja, slika 2-32, je potrebno: I R1,R2 >=10I OU Usmerniki so namenjeni pretvarjanju izmenične napetosti (toka) v enosmerno napetost. Uporabljajo se za napajanje skoraj vseh naprav na osnovi polprevodnikov in integriranih elementov, v industrijskih napravah za elektrovarjenje in taljenje kovin, v tehniki z elektroliznimi postopki, v električnih pogonih različnih vozil itd. Glede na število faz ločimo enofazne in večfazne (običajno trifazne) usmernike. Glede na moč delimo usmernike na usmernike nizke, srednje in velike moči. Usmerniki nizke moči so praviloma enofazni, srednje in visoke moči - trifazni. Posplošen blokovni diagram usmernika majhne moči je prikazan na sliki 3-1. Izmenična omrežna napetost se pretvori s pomočjo transformatorja Tr v napetost zahtevane vrednosti U2 in se nato napaja v blok B, sestavljen na polprevodniških ali drugih diodah (ventilih), na izhodu katerih napetost Uv postane unipolarna, vendar se spremeni v vrednost skozi čas (pulzirajoče), pogosto po bloku B postavijo filter F, Običajno sestavljen iz pasivnih elementov tipa C in L in redkeje iz aktivnih elementov - tranzistorjev, ki dobro prenašajo le konstantno komponento usmerjene napetosti v breme. S pravilno izbranimi filtrirnimi elementi Ф ima napetost Uф na izhodu zelo majhne valove. Če je ventilski pretvornik B sestavljen na krmiljenih elementih (tiristorjih, tranzistorjih), se mu doda sistem, ki nadzoruje procese odpiranja in zapiranja ventilov (VC). Usmerjena napetost v obremenitvi se lahko močno spreminja tako zaradi dnevnih nihanj omrežne napetosti izmeničnega toka kot zaradi sprememb v velikosti toka obremenitve. Za zagotovitev zahtevane stabilnosti napetosti pri obremenitvi se uporablja popravljeni stabilizator napetosti (Vst). Za obratovalne lastnosti usmernikov so značilne naslednje osnovne količine: A. Povprečna vrednost popravljene napetosti in toka (U 0 , I 0). b. Faktor učinkovitosti (učinkovitost). V. Koeficient valovanja p, določen z razmerjem med amplitudo prvega harmonika U m 1 rektificirane napetosti in vrednostjo njegove povprečne komponente U 0 p = U m 1 / U 0 . G. Zunanja karakteristika - odvisnost izhodne (uspravljene) napetosti od količine toka, ki ga porabi obremenitev U 0 =f(I n). d. Regulacijska karakteristika je odvisnost rektificirane napetosti od krmilnega kota (časovno) ventilov. Usmerjanje temelji na enosmerni prevodnosti (lastnosti vrat) polprevodniških diod (poglavje 1.3). Diagram polvalovnega (enocikličnega) usmernika ter diagrama usmerjene napetosti Un in toka In sta prikazana na sl. 3-2. Močnostni transformator Tr je potreben za pridobitev napetosti zahtevane vrednosti in v radijski elektroniki ter za ločitev tokokrogov bremena Rn in omrežja izmeničnega toka. Dioda D (slika 2-34a) prevaja tok v tistem polciklu izmenične napetosti, ko je potencial Ub > Ua. Skozi tokokrog B - Rн - D - A teče tok. V drugem polciklu zapiranja diode izmenične napetosti Ua > Ub toka v tokokrogu praktično ni. Pulzirajoči tok In ustvari na bremenu pulzirajočo napetost Un enake oblike (slika 3-2b). Prikazan je na sliki 3-3a, omogoča vam, da dobite tok, ki teče v bremenu med obema pol-cikloma izmenične napetosti. To dosežemo z uporabo dveh sekundarnih navitij AB in BC ter dveh diod. Naj v prvem polčasu Ua > Ub > Uс Nato teče tok skozi tokokrog A - D1 - Rн - B, kot pri polvalovnem usmerjanju. Med drugim polciklom Ua< Ub < Uс и ток протекает по цепи С - D2 – Rн - В. Направление тока через нагрузку остается неизменным. Форма выпрямленного тока и напряжения (временная диаграмма) в этом случае показана на рис.3-3в. Frekvenca valovanja je enaka dvakratni frekvenci izmenične napetosti. Sekundarno navitje usmerniškega transformatorja Slika 3-3a ima dvakrat več ovojev kot transformator Slika 3-2a. To poveča velikost in ceno usmerniške enote. Mostni polnovalni usmernik nima takšne pomanjkljivosti (slika 3-3b). Ko je potencial Ua > Ub, teče tok skozi vezje A-D1-Rн-D3-B. Med drugim polciklom Ub > Ua in tokovna pot je B-D4-Rн-D2-A. Smer toka skozi Rn ostane nespremenjena in tako se izvede polnovalovna usmeritev. Časovni diagrami usmernika na sliki 3-3c so enaki kot pri usmernikih na sliki 3-3a. Najenostavnejši filter je kondenzator C dovolj velike kapacitete, priključen vzporedno z obremenitvijo. Z zamenjavo transformatorja skupaj z ventili (npr. v vezju na sliki 2a) z ekvivalentnim generatorjem z napetostjo Uv in notranjim uporom r x dobimo usmerniško ekvivalentno vezje (sl. 3-4a). V njem je r x določen s skupnim uporom ventilov in navitij transformatorja, U in je vrednost rektificirane napetosti v načinu brez obremenitve (Rn=oo). Iz Kirchhoffovih zakonov sledi, da bo napetost na bremenu (sponka cd) enaka: Un = Uв-(Iс+ In)r x , (1) kjer je Ic polnilni tok kondenzatorja, In je tok bremena. Na sliki 3-4 sta prikazana tudi oscilograma za polvalovni (zgornji) in polvalovni (spodnji) usmernik V času t1-t2, ko vrednost U2 narašča, se kondenzator Co polni s tokom Ic, v intervalu t2 -t3 se delno izprazni skozi Rn, saj so v tem primeru diode bloka ventilov zaprte in ne dovolijo, da bi se izpraznil skozi navitje transformatorja. Tak filter bistveno zmanjša valovanje usmerjene napetosti. Kakovost glajenja je označena s koeficientom valovanja p, izraženim v odstotkih p = (Um / Uo) *100 %, kjer je Um amplituda prvega harmonika, Uo je konstantna komponenta popravljene napetosti. Kapacitivni filter zmanjša valovanje na 5-15 % v primerjavi s 157 % oziroma 66,7 % pri polvalovnih in polvalovnih usmernikih brez filtra. Vrednost koeficienta valovanja s kapacitivnim filtrom je določena s formulami р = 600 Iо / UoCo - za enopodobdobni usmernik in p = 300 Io / UoCo - za polni val. Tukaj je Co v uF, Io je v mA, Uo je v V. Za napajanje elektronske opreme je dovoljen p=0,05–1% ali manj, zato se uporabljajo bolj zapleteni filtri. Velikost pulzacij bistveno zmanjša tudi stabilizacijski blok St. (Slika 3-1). Formule za izračun usmernikov 1) Izračun diode: Imax=7I 0,Uarr=3U 0
2) Izračun transformatorja: U 2 =0,75U 0 + I 0 (R i +R tr)/265 R i – notranji upor diode R iGe =500/I0(mA), R iSi =100/I0(mA). R tr – upornost notranjih navitij transformatorja R tr =500U 0 /(I 0 (U 0 I 0) 1/4), Tok sekundarnega navitja: I 2 =2I 0 +12U 0 /(R i +R tr ) 3) Izračun kondenzatorja: U C 0 =1,2U 0 p 0 =600I 0 /U 0 C 0 ; C 0 =600I 0 /U 0 p 0 . Polnovalni usmernik s srednjo točko 1) Izbira diode: Urev=3U 0, Imax=3,5I 0 2) Izbira transformatorja: U 2 =0,75U 0 +I 0 (Ri+Rtr)/530 Rtr=1000/I 0 (U 0 I 0) 1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rtr) 3) Izračun kondenzatorja: C 0 =300I 0 /U 0 P 0 (%); U C 0 =1,2U 0 Polnovalni mostni usmernik 1) Uob=1,5U0, Imax=3,5I0 2) U 2 =0,75U 0 +I 0 (2R i +R tr)/530; R tr =830/I0 (U0I0) 1/4; I 2 =21/2 I 0 +16,6U 0 /(2R i +R tr) 3) C 0 =300 I 0 /U 0 p 0 (%); U C0 =1,2U 0 Izračun za filter v obliki črke L: a)L.C.
– filter
Za polvalovni Za polvalovni usmernik LC=10r 0 /r LC=2,5r 0 /r b)R.C.
– filter
Filtrirni elementi so določeni iz izrazov: Za polvalovni do polvalovni usmernik RC=3000r 0 /r RC=1500r 0 /r Napetost na izhodu usmernika je nestabilna. Na primer, s povečanjem porabljenega toka I n se filtrirni kondenzator C v časovnem intervalu t2-t3 (sl. 3-4) v večji meri izprazni, zato ga ponovno napolnite v času t1-t2, potreben je večji polnilni tok Ic. Toda iz enačbe (1) je jasno, da se bo izguba napetosti na uporu r z povečala, U n pa zmanjšal. Graf na sliki 3-8 prikazuje zunanje značilnosti usmernika brez filtra - Ic = 0 in s kapacitivnim filtrom - Ic > 0. Karakteristike so zgrajene na podlagi enačbe (1) ob upoštevanju dejstva, da ventili imajo upor, ki je nelinearno odvisen od pretočnega toka. Za zagotovitev, da se vrednost U n praktično ne spremeni z naraščajočim tokom In, se v usmernik vstavi napetostni stabilizator. Pri nizkih obremenitvenih tokovih in nizkih zahtevah glede stabilnosti Ust se uporabljajo najpreprostejši parametrični stabilizatorji na silicijevi zener diodi (poglavje 1.4) (sl. 3-9a). Tokovno-napetostna karakteristika silicijeve zener diode (sl. 3-9b) ima odsek mn, v katerem, ko se tok spremeni od I min do I max, napetost ostane skoraj konstantna. Če je potrebno, povečajte Ust, zener diode so povezane zaporedno. Stabilizator slika 3-9a zmanjša relativne spremembe napetosti za 5-10 krat. Vendar je nemogoče spremeniti vrednost Ust v parametričnem stabilizatorju.Določi jo izbrana zener dioda. Če takšna stabilizacija ne ustreza zahtevam, se uporabijo polprevodniški kompenzacijski stabilizatorji napetosti. Slika 3-9a prikazuje princip stabilizacije, ki temelji na kompenzaciji napetostnih sprememb v obremenitvi s spreminjanjem vrednosti upora spremenljivega upora R1, ki je zaporedno povezan z obremenitvijo Rн. Za obravnavano konturo lahko zapišemo enačbo Un = Uph – I 1 *R 1, (3) to pomeni, da je napetost Un na bremenu manjša od popravljene napetosti (na izhodu filtra) Uph za količino padca napetosti na spremenljivem uporu R 1 . S spreminjanjem vrednosti upora lahko prilagodite vrednost napetosti Un. Za vsako spremembo usmerjene napetosti dUф lahko po analogiji z enačbo (3) zapišemo, da dUн =dUф – dI 1 *R 1. (4) Zato z nastavitvijo vrednosti R 1 vedno tako, da je izpolnjena enakost dUф = dI 1 *R 1, dobimo dUн = 0, to pomeni, da bo napetost na bremenu konstantna. Za avtomatizacijo procesa stabilizacije napetosti Un se kot spremenljivi upor R1 uporablja tranzistor visoke moči VT1 (slika 3-10b), tranzistor VT2 pa nadzoruje njegov upor. Kolektorski tok VT2 se spremeni, ko se spremeni napetost Un. Zato se spremeni bazni tok tranzistorja VT1 in posledično njegova upornost. Parametrični stabilizator R4-V3 ima pomožno vlogo, ki zagotavlja referenčno (konstantno) napetost na oddajniku VT2, s katero se primerjajo spremembe napetosti obremenitve, ki se napaja na bazo VT2 skozi delilnik R1-RЗ. Shema deluje na naslednji način. Naj se iz nekega razloga napetost Un začne zmanjševati (potencial fn glede na točko 3 se poveča). Nato se bazni potencial VT2 poveča tudi glede na emitor (postane manj negativen), njegov bazni tok Ib2 pa se zmanjša. V tem primeru bo kolektorski tok Ik2=b2*Ib2 (b2 je koeficient prenosa toka tranzistorja VT2) zmanjšal osnovni potencial tranzistorja VT1 (Ub1 = Uk2~ Uph – Ik2* R5) in s tem zmanjšal upor tranzistor VT1 V tem primeru se napetost U1 = neizogibno zmanjša I1 * Rv1 (glej sliko 3-10b), napetost v obremenitvi Un = Uph - I1 * Rv1 pa bo ostala praktično nespremenjena. Zunanje značilnosti stabiliziranih usmernikov so prikazane na sliki 3-11. Konstantno napetost Un vzdržujejo parametrični (krivulja 2) in kompenzacijski (krivulja 3) stabilizatorji 1 - brez stabilizatorja; 2 - s parametričnim stabilizatorjem; 3 - s tranzistorskim stabilizatorjem kompenzacijskega tipa. Do določene vrednosti največjega bremenskega toka, odvisno od vrste uporabljenih polprevodniških naprav. Stabilizator kompenzacijskega tipa zelo dobro zgladi valovanje, če ni preveliko na izhodu usmernika in padec vhodne napetosti ne vzame stabilizatorja iz običajnega delovnega območja. >Slabosti zgoraj omenjenih stabilizatorjev: 1) Nizka učinkovitost, ki ne presega 50%. 2) Velike dimenzije kondenzatorja in induktivnosti v filtru. Te pomanjkljivosti odpravimo z uporabo impulznega (ključnega) stabilizatorja. V tem stabilizatorju je tranzistor VT postavljen v ključni način: Generator PWM zagotavlja širinsko impulzno modulacijo, pri kateri je širina generiranih impulzov Ug sorazmerna krmilni napetosti Ucontrol. Postopek delovanja stabilizatorja impulza 1) Med krmiljenjem impulza U se tranzistor VT odpre, kapacitivnost C se ponovno napolni skozi induktivnost 2) VT1 se zapre, induktivnost in kapacitivnost sprostita energijo potrošniku. VD dioda je nameščena za kratek stik povratnega induktivnega toka skozi kapacitivnost in breme. Generator PWM proizvaja zaporedje impulzov v bazo VT, katerih širina je odvisna od izhoda U. Trajanje impulza ti=K (U op -U izhod R 1 /(R 1 +R 2)) 3) Če se na primer izhodna napetost zmanjša, se trajanje impulza poveča. Hkrati se poveča energija, akumulirana v induktivnosti, izhodna napetost pa ostane konstantna. Urna frekvenca je približno 20 kHz. Kondenzator se "napaja" precej pogosto, zato je njegova zmogljivost bistveno manjša kot pri uporabi neprekinjenega stabilizatorja. GSK je naprava, izdelana na osnovi avtonomnih samonihajnih vezij, v katerih se pojavijo sinusne spremembe napetosti in toka brez uporabe dodatnega periodičnega signala. To je pretvorba energije enosmernega toka v energijo sinusnega električnega nihanja. Vrsta generatorjaL-
C:
Generacija nastane zaradi pozitivne povratne zveze med kolektorjem in bazo tranzistorja preko medsebojne induktivnosti med tuljavami. Do oscilacij pride, ko sta izpolnjena dva pogoja: 1) Amplitudni pogoj, ki je izpolnjen, če sta tuljavi Lsv in L dovolj blizu. 2) Fazno stanje. Lsv tuljava mora biti vklopljena, tako da je povratna informacija pozitivna. Nato pride do oscilacij s frekvenco ω 2 LC=1; Zato je ω=1/(LC) 1/2; f=1/2π(LC) 1/2 Po tej shemi so zgrajeni generatorji s frekvenco f>=150 kHz. Za nižje frekvence se uporabljajo RC oscilatorji.2.2.3 Fazno-frekvenčni odziv
Slika 2-5 Oscilogrami vhodnih in izhodnih signalov
Slika 2-6 – fazni odziv ojačevalnika2.2.4 Prehodni odziv.
Slika 2-7 PC ojačevalnik2.2.5 Tipična ojačevalna stopnja na tranzistorju, priključenem po OE vezju.
riž. 2-8 Ojačevalna stopnja tranzistorja s skupnim oddajnikom
Slika 2-9 Vrste povratnih informacij
Slika 2-10 Serijska napetostna povratna informacija2.3.2 Povratna zveza v ojačevalnikih
Slika 2-11 Emiterski sledilnik
Slika 2-12 Dvostopenjski ojačevalnik
Slika 2-13 Ekvivalentno vezje ojačevalnika2.3.3 Termična stabilizacija tranzistorskega ojačevalnika
2.4 DC ojačevalniki
2.4.1 UPT na tranzistorjih.
Slika 2-14 Asimetrični UPT
Slika 2-15 Uravnoteženi UPT2.4.2 Operacijski ojačevalniki
Slika 2-16 Shematska oznaka operacijskega ojačevalnika2.4.2.1 Metode za vklop operacijskega ojačevalnika
Slika 217 Inverzni vklop operacijskega ojačevalnika
Ojačevalnik imenujemo inverterski, ker je izhodna napetost nefazna (inverzna) glede na vhod, kar je označeno tudi z znakom minus v formuli (4).
Slika 2-18 Neinvertirajoči operacijski ojačevalnik2.4.2.2 Nastavitev ojačanja operacijskega ojačevalnika
Slika 2-19 Nastavitev ojačanja s stikalom
Slika 2-20 Nastavitev ojačanja s potenciometrom2.4.2.3 Op-amp selektivni ojačevalniki
Slika 2-21 Frekvenčni odziv selektivnega ojačevalnika
Slika 2.22 Wien Bridge in njegov frekvenčni odziv
Slika 2-24 Op-amp selektivni ojačevalnik
Slika 2-25 2T most in njegov frekvenčni odziv2.4.2.4 Nekatere uporabe operacijskih ojačevalnikov
Slika 2-26 Pretvornik toka v napetost
Slika 2-27 Pretvornik napetosti v tok: obremenitev R n
Slika 2-28 Stabilizator napetosti na operacijskem ojačevalniku
Slika 2-29 Izhod stabilizatorja z zaščito pred preobremenitvijo
Slika 2-30 Op-amp napajanje iz dveh virov Slika 2-31 Vezje z delilnikom z zener diodami.
Slika 2-32 Vezje z uporovnim delilnikom3 usmerniki
3.1 Splošna teorija
Slika3-1 Blok diagram usmernika majhne moči3.2 Polvalovni usmernik.
Slika 3-2 Polvalovni usmernik3.3 Polvalovni usmernik
Slika 3-3 Polnovalni usmerniki3.4 Filtri
Slika 3-4 Enakovredno vezje usmernika
Slika 3-5 Polvalovni usmernik
Slika 3-6 LC filter v obliki črke L
Slika 3-7 RC filter v obliki črke L4 stabilizatorji
4.1 Parametrični stabilizatorji
Slika 3-8 Obremenitvene karakteristike usmernika
Slika 3-9 Najenostavnejši stabilizator in njegove obremenitvene značilnosti. Da zagotovimo, da tok skozi zener diodo ne preseže I m ax, se vklopi upor R b. Ko se obremenitveni tok ali napetost spremeni, se spremeni U f =U b +U st, samo U b in U st = U n ostane konstanten.4.2 Kompenzacijski stabilizatorji
Slika 3-10 Kompenzacijski stabilizator
Slika 3-11. Zunanje značilnosti usmernikov:4.3 Preklopni stabilizator napetosti
Slika 3-12 Preklopni stabilizator napetosti5 Generatorji
5.1 Sinusni generator
Slika 3-13 LC oscilator z induktivno povratno zvezo
