Файл: Учебнометодический комплекс по дисциплине электрооборудование фармацевтического производства для специальности 5В074800 Технология фармацевтического производства.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 215
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
IA,IB ,IC равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 
один относительно другого.
Трёхфазный генератор, соединённый проводами с трёхфазным потребителем, образуют трёхфазную цепь.
В трёхфазной цепи протекает трёхфазная система токов, т.е. синусоидальные токи с тремя различными фазами. Участок цепи, по которому протекает один из токов, называют фазой трёхфазной цепи.
Возможны различные способы соединения обмоток генератора с нагрузкой. В основном обмотки трёхфазного генератора соединяют звездой (рис. 6) или треугольником (рис. 7). При этом число соединительных проводов от генератора к нагрузке варьирует от трёх до четырёх.
На электрических схемах трёхфазный генератор принято изображать в виде трёх обмоток, расположенных под углом друг к другу. При соединении звездой концы этих обмоток объединяют в одну точку, которую называют нулевой точкой генератора и обозначают 0. Начала обмоток обозначают буквами А, В, С.
При соединении треугольником конец первой обмотки генератора соединяют с началом второй, конец второй – с началом третьей, конец третьей – с началом первой. К точкам А, В, С подсоединяют провода соединительной линии.
Отметим, что при отсутствии нагрузки ток в обмотках такого соединения отсутствует, так как геометрическая ЭДС ЕА,ЕВ, ЕС равна нулю.
Рисунок 6 Рисунок 7
Основная литература: [1, 3];
Дополнительная литература: [9, 11].
Собственные полупроводники.
К полупроводникам относятся твердые тела, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от внешних факторов: температуры, концентрации примесей, действия света и ионизирующих излучений.
Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяются элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te; соединения АIIIBV: арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфорид галлия GaP, карбид кремния SiC; соединения AIIBV; тройные полупроводниковые соединения AIIBIIICV, AIBIIICVI и др.
Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов (рисунок 8).
Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под действием электрического поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными. Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией.
Рисунок 8 Рисунок 9
Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называется разрешенной зоной (зона 3 на рис. 9).
Разрешенная зона характеризуется тем, что все энергетические уровни валентных электронов при температуре 0К заполнены ими. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля). Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.
В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается
nl.
Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (свободного) энергетического уровня (положительного заряда), называемого дыркой, концентрация которых в собственной полупроводнике обозначается pl. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение положительных зарядов – дырок.
У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре отличной от 0 К, образуются свободные электроны и дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называется генерацией.
Примесные полупроводники
Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то образовавшийся полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного или акцепторного типов.
Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и одающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называется донором.
Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называется акцептором.
При внесении в предварительно очищенный кремний (германий) примеси пятивалентного элемента – донора (форфор, сурьма, мышьяк) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 10). При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый электрон оказывается избыточным.
Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуждаются и переходят в зону проводимости (рис. 11).
Концентрация дырок в донорном полупроводнике значительно ниже, чем в собственном. В связи с этим дырки pn являются неосновными носителями, а электроны nn – основными. Поэтому донорный полупроводник называется электронным или полупроводником n-типа.
Рисунок 10 Рисунок 11
При добавлении в кристалл кремния (германия) примеси трехвалентного элемента – акцептора (галлий, индий, бор) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси (рис. 12).
Рисунок 12 Рисунок 13
Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи (рис. 13).
При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. Полупроводники с акцепторной примесью носят название дырочных или полупроводников р-типа.
Электронно-дырочный переход
Переход между двумя областями полупроводника с разнотипной проводимостью называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.
Переходы между двумя областями с различной концентрацией примесей одного типа называются электронно-электронными (n+-n переход) или дырочно-дырочный (р+-р), где знак «+» означает повышенную концентрацию примесей по сравнению со вторым слоем.
Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой электрический переход называется переходом металл-полупроводник.
Физические процессы в p-n переходе
Рассмотрим физические процессы в плоском p-n переходе, находящемся в равновесном состоянии, т.е. при нулевом внешнем напряжении на переходе (рис. 14,а) и при условиях, что
- на границе раздела р- и n- областей отсутствуют механические дефекты и включения других химических веществ;
- при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. pp = Nn, nn = Nд;
- на границе р-n перехода тип примеси резко изменяется.
Т.к. концентрация электронов в n-области намного больше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше чем в n-области ((
и 
, как показано на рис. 14,б, то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов):
.
Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называется диффузионным движением.
В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области – отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.
Таким образом, на границе р- и n-областей возникает двойной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна Едиф. Это поле препятствует дальнейшему протеканию диффузионного тока (тока основных носителей). Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он называется запирающим слоем или областью объемного заряда.
Рисунок 14
В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою р-n перехода.
Поле р-n-перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и перебрасываются в n-область, а дырки n-области – в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа.
Полная плотность тока дрейфа, создаваемая неосновными носителями, называется тепловым током.
Контактная разность потенциалов
Наличие ионов примесей в запирающем слое р-n перехода создает разность потенциалов Uк, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов, значение которой
один относительно другого.Трёхфазный генератор, соединённый проводами с трёхфазным потребителем, образуют трёхфазную цепь.
В трёхфазной цепи протекает трёхфазная система токов, т.е. синусоидальные токи с тремя различными фазами. Участок цепи, по которому протекает один из токов, называют фазой трёхфазной цепи.
Основные схемы соединения электрических цепей трехфазного тока.
Возможны различные способы соединения обмоток генератора с нагрузкой. В основном обмотки трёхфазного генератора соединяют звездой (рис. 6) или треугольником (рис. 7). При этом число соединительных проводов от генератора к нагрузке варьирует от трёх до четырёх.
На электрических схемах трёхфазный генератор принято изображать в виде трёх обмоток, расположенных под углом
друг к другу. При соединении звездой концы этих обмоток объединяют в одну точку, которую называют нулевой точкой генератора и обозначают 0. Начала обмоток обозначают буквами А, В, С.При соединении треугольником конец первой обмотки генератора соединяют с началом второй, конец второй – с началом третьей, конец третьей – с началом первой. К точкам А, В, С подсоединяют провода соединительной линии.
Отметим, что при отсутствии нагрузки ток в обмотках такого соединения отсутствует, так как геометрическая ЭДС ЕА,ЕВ, ЕС равна нулю.
Рисунок 6 Рисунок 7
Основная литература: [1, 3];
Дополнительная литература: [9, 11].
Тема 4 Полупроводниковые приборы
Собственные полупроводники.
К полупроводникам относятся твердые тела, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от внешних факторов: температуры, концентрации примесей, действия света и ионизирующих излучений.
Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяются элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te; соединения АIIIBV: арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфорид галлия GaP, карбид кремния SiC; соединения AIIBV; тройные полупроводниковые соединения AIIBIIICV, AIBIIICVI и др.
Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов (рисунок 8).
Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под действием электрического поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными. Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией.
Рисунок 8 Рисунок 9
Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называется разрешенной зоной (зона 3 на рис. 9).
Разрешенная зона характеризуется тем, что все энергетические уровни валентных электронов при температуре 0К заполнены ими. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля). Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.
В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается
nl.
Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (свободного) энергетического уровня (положительного заряда), называемого дыркой, концентрация которых в собственной полупроводнике обозначается pl. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение положительных зарядов – дырок.
У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре отличной от 0 К, образуются свободные электроны и дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называется генерацией.
Примесные полупроводники
Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то образовавшийся полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного или акцепторного типов.
Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и одающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называется донором.
Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называется акцептором.
При внесении в предварительно очищенный кремний (германий) примеси пятивалентного элемента – донора (форфор, сурьма, мышьяк) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 10). При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый электрон оказывается избыточным.
Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуждаются и переходят в зону проводимости (рис. 11).
Концентрация дырок в донорном полупроводнике значительно ниже, чем в собственном. В связи с этим дырки pn являются неосновными носителями, а электроны nn – основными. Поэтому донорный полупроводник называется электронным или полупроводником n-типа.
Рисунок 10 Рисунок 11
При добавлении в кристалл кремния (германия) примеси трехвалентного элемента – акцептора (галлий, индий, бор) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси (рис. 12).
Рисунок 12 Рисунок 13
Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи (рис. 13).
При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. Полупроводники с акцепторной примесью носят название дырочных или полупроводников р-типа.
Электронно-дырочный переход
Переход между двумя областями полупроводника с разнотипной проводимостью называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.
Переходы между двумя областями с различной концентрацией примесей одного типа называются электронно-электронными (n+-n переход) или дырочно-дырочный (р+-р), где знак «+» означает повышенную концентрацию примесей по сравнению со вторым слоем.
Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой электрический переход называется переходом металл-полупроводник.
Физические процессы в p-n переходе
Рассмотрим физические процессы в плоском p-n переходе, находящемся в равновесном состоянии, т.е. при нулевом внешнем напряжении на переходе (рис. 14,а) и при условиях, что
- на границе раздела р- и n- областей отсутствуют механические дефекты и включения других химических веществ;
- при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. pp = Nn, nn = Nд;
- на границе р-n перехода тип примеси резко изменяется.
Т.к. концентрация электронов в n-области намного больше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше чем в n-области ((
и
, как показано на рис. 14,б, то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов):
.Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называется диффузионным движением.
В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области – отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.
Таким образом, на границе р- и n-областей возникает двойной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна Едиф. Это поле препятствует дальнейшему протеканию диффузионного тока (тока основных носителей). Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он называется запирающим слоем или областью объемного заряда.
Рисунок 14
В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою р-n перехода.
Поле р-n-перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и перебрасываются в n-область, а дырки n-области – в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа.
Полная плотность тока дрейфа, создаваемая неосновными носителями, называется тепловым током.
Контактная разность потенциалов
Наличие ионов примесей в запирающем слое р-n перехода создает разность потенциалов Uк, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов, значение которой