Файл: Electron_SE.pdf

21

1. Ô²ÇÈ×Ͳ ÎÑÍÎÂÈ ÐÎÁÎÒÈ ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊÎÂÈÕ ÏÐÈËÀIJÂ

Çîíà  îᒺìíîãî  çàðÿä󠠖  öå  ³  º  åëåêòðîííî-ä³ðêîâèé  ïåðåõ³ä

(p-n ïåðåõ³ä). Øèðèíà éîãî, ïîçíà÷åíà ÿê L, âèì³ðþºòüñÿ äåñÿòêàìè

ì³êðîí³â. Îñê³ëüêè ó p-n ïåðåõîä³ â³äñóòí³ ðóõîì³ íîñ³¿ çàðÿä³â (â³í çà-

ïîâíåíèé íåðóõîìèìè ³îíàìè), òî éîãî åëåêòðè÷íèé îï³ð äóæå âåëèêèé.

Ðîçãëÿíåìî ïîâåä³íêó p-n ïåðåõîäó

ïðè ï³ä³ìêíåíí³ äî íüîãî çîâí³øíüî¿ íà-

ïðóãè. Ìîæëèâå ïðÿìå àáî çâîðîòíå

âìèêàííÿ.

Ïðè çâîðîòíîìó âìèêàíí³, ÿê ïî-

êàçàíî íà ðèñ. 1.5, äî p-n ïåðåõîäó ïðè-

êëàäàºòüñÿ çîâí³øíÿ íàïðóãà U

çí

, âíàñ-

ë³äîê ÷îãî äî éîãî âíóòð³øíüîãî åëåê-

òðè÷íîãî ïîëÿ äîäàºòüñÿ çîâí³øíº åëåê-

òðè÷íå ïîëå ç íàïðóæåí³ñòþ Å

çí

. Ó ðå-

çóëüòàò³ ïîëå â p-n ïåðåõîä³ çðîñòຠ³

éîãî íàïðóæåí³ñòü äîð³âíþº

.

çí

âí

ðåç

E

E

E

+

=

                  (1.2)

 Îñê³ëüêè åëåêòðè÷íèé îï³ð p-n ïåðåõîäó äóæå âåëèêèé, òî ìàéæå âñÿ

íàïðóãà U

çí

 ïðèêëàäàºòüñÿ äî íüîãî.

Îòæå, ð³çíèöÿ ïîòåíö³àë³â íà ïåðåõîä³ ñòàíîâèòü

.

çí

ê

ðåç

U

+

ϕ

=

ϕ

                                           (1.3)

Çàï³ðí³ âëàñòèâîñò³ ïåðåõîäó ïðè öüîìó çðîñòàþòü, äèôóç³éíà ñêëà-

äîâà ñòðóìó i

äèô

 çìåíøóºòüñÿ, à äðåéôîâà i

äð

 íå çì³íþºòüñÿ (áî çàëå-

æèòü ëèøå â³ä ñòóïåíÿ íàãð³âó ðå÷îâèíè). ×åðåç ïåðåõ³ä ïðîò³êຠçâî-

ðîòíèé ñòðóì

.

äèô

äð

çâ

i

i

i

−

=

                                                 (1.4)

Îñê³ëüêè i

äèô

®

0, òî çâîðîòíèé ñòðóì âèçíà÷àºòüñÿ êîíöåíòðàö³ºþ

íåîñíîâíèõ íîñ³¿â çàðÿä³â ³ º íåçíà÷íèì.

Ïðè  ïðÿìîìó  âìèêàíí³,  ÿê  ïîêàçàíî  íà  ðèñ.  1.6,  çà  çàçíà÷åíî¿

ïîëÿðíîñò³ çîâí³øíüî¿ íàïðóãè çîâí³øíº åëåêòðè÷íå ïîëå ñïðÿìîâàíå

íàçóñòð³÷ âíóòð³øíüîìó, ³ ðåçóëüòóþ÷à íàïðóæåí³ñòü çìåíøóºòüñÿ

çí

âí

ðåç

E

E

E

-

=

.                                             (1.5)

Ïðè öüîìó ³

äèô

 çðîñòàº, à ³

äð

 çìåíøóºòüñÿ. Ð³çíèöÿ ïîòåíö³àë³â ñòà-

íîâèòü

.

çí

ê

ðåç

U

−

ϕ

=

ϕ

                                             (1.6)

n

p

E

âí

U

çí

-

+

E

çí

i

çâ

 -

 +

 -

 +

 +

 -

 -

   +

   +

 -

íåîñíîâí³

íîñ³¿

   +

 -

Ðèñ. 1.5 – Çâîðîòíå âìèêàííÿ

p-n ïåðåõîäó

22

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

Ó öüîìó âèïàäêó ÷åðåç ïåðåõ³ä òå÷å

ïðÿìèé ñòðóì

.

äð

äèô

ïð

i

i

i

−

=

             (1.7)

³í çóìîâëþºòüñÿ äèôóç³éíîþ ñêëà-

äîâîþ ñòðóìó, òîáòî çàëåæèòü â³ä êîí-

öåíòðàö³¿ îñíîâíèõ ðóõîìèõ íîñ³¿â çà-

ðÿä³â, ³ º âåëèêèì.

Îñê³ëüêè ó p-n ïåðåõîäó ÿâíî âèðà-

æåí³ íåë³í³éí³ âëàñòèâîñò³, òî çàëåæ-

í³ñòü ñòðóìó, ùî ÷åðåç íüîãî ïðîò³êàº,

â³ä ïðèêëàäåíî¿ íàïðóãè ³ëþñòðóþòü çà

äîïîìîãîþ âîëüò-àìïåðíî¿ õàðàêòå-

ðèñòèêè  (ÂÀÕ).

Òåîðåòè÷íà  ÂÀÕ  p-n

ïåðåõîäó  ïîêàçàíà  íà

ðèñ. 1.7. Âîíà ìຠïðÿìó

(1) òà çâîðîòíó (2,3) ã³ëêè.

ßêùî íàïðóãà ïðÿìî-

ãî âìèêàííÿ U

ïð

<

j

ê

, ÷å-

ðåç ïåðåõ³ä, îï³ð ÿêîãî âå-

ëèêèé, òå÷å ìàëèé ñòðóì.

ßê ò³ëüêè ç³ çá³ëüøåííÿì

U

ïð 

îñòàííº äîñÿãíå çíà-

÷åííÿ  U

ïð

=

j

ê

,  çàï³ðí³

âëàñòèâîñò³ p-n ïåðåõîäó

çíèêàþòü, ³ ñòðóì ÷åðåç

ïåðåõ³ä âèçíà÷àºòüñÿ ëèøå ïðîâ³äí³ñòþ p- ³ n- øàð³â.

Òàêèì ÷èíîì, p-n ïåðåõ³ä ìຠâåíòèëüí³ âëàñòèâîñò³ (â³ä í³ìåöüêî-

ãî ñëîâà ventil – êëàïàí), òîáòî ïðè ïðÿìîìó âìèêàíí³ éîãî îï³ð ìàëèé,

à ïðè çâîðîòíîì󠖠çíà÷íèé.

Ïðè çðîñòàíí³ â³ä íóëÿ çâîðîòíî¿ íàïðóãè U

çâ

, øâèäê³ñòü ðóõó íå-

îñíîâíèõ íîñ³¿â ÷åðåç ïåðåõ³ä çðîñòàº. Ïðè U

çâ

=U

ï

 øâèäê³ñòü ðóõîìèõ

íîñ³¿â òàêà, ùî ¿õ åíåð㳿 âèñòà÷ຠäëÿ âèíèêíåííÿ â ìàòåð³àë³ óäàðíî¿

³îí³çàö³¿ – âèáèâàííÿ äîäàòêîâèõ íîñ³¿â çàðÿäó. Âíàñë³äîê öüîãî â³äáóâà-

ºòüñÿ ëàâèíîïîä³áíèé çð³ñò çâîðîòíîãî ñòðóìó. Öå ÿâèùå íàçèâàºòüñÿ

åëåêòðè÷íèì ïðîáîºì p-n ïåðåõîäó, à U

ï

 – íàïðóãîþ ïðîáîþ. ßêùî

n

p

E

âí

U

çí

-

+

E

çí

i

ïð

 -

 +

 -

 +

 +

 -

 -

 -

   +

   +

   +

 -

íåîñíîâí³

íîñ³¿

Ðèñ. 1.6 – Ïðÿìå âìèêàííÿ

p-n ïåðåõîäó

I

ïð

ÂÀÕ

2

3

1

U

ï

U

çâ

U

ïð

I

çâ

ϕ

ê

I

çâ

Ðèñ. 1.7 – Òåîðåòè÷íà ÂÀÕ p-n ïåðåõîäó

23

1. Ô²ÇÈ×Ͳ ÎÑÍÎÂÈ ÐÎÁÎÒÈ ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊÎÂÈÕ ÏÐÈËÀIJÂ

ïðè öüîìó p-n ïåðåõ³ä åôåêòèâíî îõîëîäæóºòüñÿ, ð³çêå çðîñòàííÿ ïî-

òóæíîñò³, ùî â íüîìó âèä³ëÿºòüñÿ (U

çâ 

²

çâ

), íå ïðèçâîäèòü äî ñóòòºâèõ

çì³í òåìïåðàòóðè ñòðóêòóðè ³ åëåêòðè÷íèé ïðîá³é ïðîò³êຠïðè íåçì³íí³é

íàïðóç³. Öå ÿâèùå ìຠçâîðîòíèé õàðàêòåð. Òîáòî, ïðè çíèæåíí³ U

çâ

çàï³ðí³ âëàñòèâîñò³ p-n ïåðåõîäó â³äíîâëþþòüñÿ (ã³ëêà 2 ÂÀÕ).

ßâèùå åëåêòðè÷íîãî ïðîáîþ âèêîðèñòîâóºòüñÿ, íàïðèêëàä, ïðè ñòâî-

ðåíí³ òàêîãî ÍÏ ïðèëàäó ÿê ñòàá³ë³òðîí.

Ïðè íååôåêòèâíîìó òåïëîâ³äâåäåíí³, òåìïåðàòóðà ñòðóêòóðè çðîñ-

òຠ(ê³ëüê³ñòü ðóõîìèõ íîñ³¿â ïðè öüîìó çá³ëüøóºòüñÿ òàêîæ çà ðàõóíîê

òåïëîâî¿ ãåíåðàö³¿), äîêè åëåêòðè÷íèé ïðîá³é íå ïåðåõîäèòü ó òåïëî-

âèé, êîëè ìàòåð³àë ðîçïëàâëÿºòüñÿ ³ p-n ïåðåõ³ä ðóéíóºòüñÿ. Òåïëîâèé

ïðîá³é, çðîçóì³ëî, íåçâîðîòíèé (ã³ëêà 3 ÂÀÕ).

Îòæå, p-n ïåðåõ³ä – öå ÿâèùå, ùî âèíèêຠíà ìåæ³ äâîõ ÍÏ ð³çíîãî

òèïó ïðîâ³äíîñò³ ³ õàðàêòåðèçóºòüñÿ â³äñóòí³ñòþ ó ïðèëåãë³é äî ö³º¿ ìåæ³

çîí³ â³ëüíèõ íîñ³¿â çàðÿäó, ÷åðåç ùî ¿¿ îï³ð íåñê³í÷åííèé. Òîìó p-n ïåðå-

õ³ä ùå íàçèâàþòü çàï³ðíèì øàðîì.

Íàñàìê³íåöü çàçíà÷èìî âëàñòèâîñò³ p-n ïåðåõîäó, ùî (â îñíîâíîìó)

âèêîðèñòîâóþòüñÿ ïðè ïîáóäîâ³ åëåêòðîííèõ ÍÏ ïðèëàä³â:

1) îäíîñòîðîííÿ ïðîâ³äí³ñòü (âåíòèëüí³ âëàñòèâîñò³);

2) äóæå âåëèêèé îï³ð çîíè p-n ïåðåõîäó ÿê çîíè, äå íåìຠâ³ëüíèõ

íîñ³¿â çàðÿäó (çàï³ðí³ âëàñòèâîñò³);

3) çì³íà øèðèíè p-n ïåðåõîäó ç³ çì³íîþ âåëè÷èíè çâîðîòíî¿ íàïðóãè

(ÿê ðåçóëüòàò – çì³íà ºìíîñò³ p-n ïåðåõîäó);

4) ñòàá³ëüí³ñòü íàïðóãè íà p-n ïåðåõîä³ ó ðåæèì³ åëåêòðè÷íîãî ïðîáîþ;

5) íàÿâí³ñòü íåîñíîâíèõ íîñ³¿â (ùî âèíèêàþòü âíàñë³äîê òåïëîâî¿

ãåíåðàö³¿) â øàðàõ p- ³ n-òèïó.

 Êîíòðîëüí³  çàïèòàííÿ

1. Ïîÿñí³òü,  ùî  òàêå  íàï³âïðîâ³äíèêè  (÷èñò³  ³  äîì³øêîâ³).

2. Ùî  òàêå  p-n  ïåðåõ³ä?

3. Ùî  òàêå  ïðÿìå  ³  çâîðîòíå  âìèêàííÿ  p-n  ïåðåõîäó?  Ïîÿñí³òü

ïîâåä³íêó  p-n  ïåðåõîäó  ïðè  ïðÿìîìó  ³  çâîðîòíîìó  âìèêàíí³.

4. Ùî òàêå  ÂÀÕ  ³  ÿêèé  âèãëÿä  âîíà  ìຠ ó  p-n  ïåðåõîäó?

5. Âêàæ³òü  âëàñòèâîñò³  p-n  ïåðåõîäó,  ÿê³  âèêîðèñòîâóþòü  ïðè

ïîáóäîâ³  íàï³âïðîâ³äíèêîâèõ  åëåêòðîííèõ  ïðèëàä³â.

24

ÐÎÇIJˠ2

ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊβ ÏÐÈËÀÄÈ

ÒÀ ¯Õ ÑÒÈÑËÀ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ

2.1. Êëàñèô³êàö³ÿ íàï³âïðîâ³äíèêîâèõ ïðèëàä³â

ÍÏ ïðèëàäè ïîä³ëÿþòüñÿ íà òàê³ ãðóïè:

1) ÍÏ ðåçèñòîðè;

2) ÍÏ ä³îäè;

3) á³ïîëÿðí³ òðàíçèñòîðè;

4) óí³ïîëÿðí³ (ïîëüîâ³) òðàíçèñòîðè;

5) òèðèñòîðè.

2.2. Íàï³âïðîâ³äíèêîâ³ ðåçèñòîðè

ÍÏ ðåçèñòîðè ìàþòü äâà âèõ³äíèõ åëåêòðîäè. Âîíè ïîä³ëÿþòüñÿ

íà ë³í³éí³ òà íåë³í³éí³.

Ó ë³í³éíèõ ðåçèñòîð³â ïèòîìèé åëåêòðè÷íèé îï³ð íå çàëåæèòü â³ä

ïðèêëàäåíî¿ íàïðóãè. ¯õ óìîâíå ïîçíà÷åííÿ íàâåäåíå íà ðèñ. 2.1,à. Âîíè

âèãîòîâëÿþòüñÿ íà îñíîâ³ ÍÏ ð- àáî n-òèïó ³ âèêîðèñòîâóþòüñÿ â ³íòåã-

ðàëüíèõ ì³êðîñõåìàõ.

R

R

R

t

o

U

R

 à)

    á)

     â)

       ã)

Ðèñ. 2.1 – Óìîâí³ ïîçíà÷åííÿ ë³í³éíîãî ðåçèñòîðà (à), âàðèñòîðà (á),

òåðìîðåçèñòîðà (â), ôîòîðåçèñòîðà (ã)

Íåë³í³éí³ ðåçèñòîðè (âàðèñòîðè) – öå òàê³ ÍÏ ðåçèñòîðè, ó ÿêèõ

ïèòîìèé îï³ð çàëåæèòü â³ä ïðèêëàäåíî¿ íàïðóãè. ¯õíº óìîâíå ïîçíà÷åí-

íÿ íàâåäåíå íà ðèñ. 2.1,á. Âàðèñòîð ìຠíåë³í³éíó ñèìåòðè÷íó ÂÀÕ,

ÿêó ïîêàçàíî íà ðèñ. 2.2.

Îäèí ç îñíîâíèõ ïàðàìåòð³â âàðèñòîðࠖ êîåô³ö³ºíò íåë³í³éíîñò³ 

l

,

ÿêèé âèçíà÷àºòüñÿ â³äíîøåííÿì ñòàòè÷íîãî îïîðó âàðèñòîðà R

ñò

 äî

25

2. ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊβ ÏÐÈËÀÄÈ ÒÀ ¯Õ ÑÒÈÑËÀ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ

éîãî äèíàì³÷íîãî îïîðó R

ä

:

const

dI

dU

I

U

R

R

ä

ñò

=

=

=

λ

:

,   (2.1)

äå U, I – íàïðóãà íà âàðèñòîð³ òà ñòðóì

÷åðåç íüîãî.

 Çàçâè÷àé 

l

 = 2 

¸

 6.

 Âàðèñòîðè âèêîðèñòîâóþòü ÿê îá-

ìåæóâà÷³ íàïðóãè äëÿ çàõèñòó ÍÏ ïðè-

ëàä³â â³ä êîðîòêî÷àñíèõ ïåðåíàïðóã.

Òàêîæ ³ñíóþòü ÍÏ ðåçèñòîðè, îï³ð

ÿêèõ ð³çêî çàëåæèòü â³ä òåìïåðàòóðè íàâêîëèøíüîãî ñåðåäîâèùà. Öå

– òåðìîðåçèñòîðè. ¯õíº óìîâíå ïîçíà÷åííÿ íàâåäåíå íà ðèñ. 2.1,â.

Òåðìîðåçèñòîðè ïîä³ëÿþòüñÿ íà òåðì³ñòîðè, ó ÿêèõ ³ç çðîñòàííÿì

òåìïåðàòóðè îï³ð çìåíøóºòüñÿ, òà ïîçèñòîðè, ó ÿêèõ ³ç çðîñòàííÿì

òåìïåðàòóðè îï³ð çðîñòຠ(âèêîíóþòüñÿ íà îñíîâ³ ñåãíåòîåëåêòðèê³â).

Çàëåæí³ñòü  îïîðó  òåðìîðåçèñòîðà  â³ä  òåìïåðàòóðè  âèçíà÷àºòüñÿ

åêñïîíåíö³éíèì çàêîíîì:

T

ò

ke

R

/

β

=

,                                                   (2.2)

äå k, 

b

 – êîåô³ö³ºíòè, çàëåæí³ â³ä êîíñòðóêòèâíèõ ðîçì³ð³â òà êîíöåíò-

ðàö³¿ äîì³øîê ó ÍÏ â³äïîâ³äíî;

Ò – àáñîëþòíà òåìïåðàòóðà.

Òåðìîðåçèñòîðè (òåðì³ñòîðè, ïîçèñòîðè) âèêîðèñòîâóþòüñÿ ÿê äàò-

÷èêè òåìïåðàòóðè ó ñèñòåìàõ ðåãóëþâàííÿ òåìïåðàòóðè, òåïëîâîãî

çàõèñòó, ïðîòèïîæåæíî¿ ñèãíàë³çàö³¿, äëÿ òåðìîñòàá³ë³çàö³¿ ðåæèì³â ðî-

áîòè åëåêòðîííèõ ïðèñòðî¿â.

Ïîòóæí³ ïîçèñòîðè äîçâîëÿþòü çàáåçïå÷óâàòè çàõèñò åëåêòðîîáëàä-

íàííÿ â³ä ñòðóì³â ïåðåâàíòàæåííÿ (çàì³ñòü òåïëîâèõ ðåëå).

Ó ôîòîðåçèñòîð³â (ðèñ. 2.1,ã) îï³ð çàëåæèòü â³ä ñòóïåíþ îñâ³òëåííÿ.

¯õ, â îñíîâíîìó, çàñòîñîâóþòü ó ïðèñòðîÿõ àâòîìàòèêè.

2.3. Íàï³âïðîâ³äíèêîâ³ ä³îäè

Íàï³âïðîâ³äíèêîâ³ ä³îä蠖 öå ÍÏ ïðèëàäè, âèãîòîâëåí³ íà îñíîâ³ äâî-

øàðîâèõ ÍÏ ñòðóêòóð ³ ÿê³ âèêîðèñòîâóþòü âëàñòèâîñò³ p-n ïåðåõîäó.

U,  B

I, mA

6
4

2

  -4

-6

-2

40

-40

-60

-20

20

Ðèñ. 2.2 – ÂÀÕ âàðèñòîðà