Полупроводниковые материалы Расчет электронного устройства

Полупроводниковые материалы Полупроводники - группа веществ с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков. Удельное сопротивление различных проводников лежит в пределах 10 -6-10 -3, полупроводников - 10 -4-10 10, диэлектриков - 10 9-10 18 Ом . см. Однако, количественная оценка электропроводности не является основным признаком, выделяющим полупроводники в особую группу веществ. Электропроводность полупроводников качественно отличается от электропроводности проводников.

Примесная электропроводность полупроводников. Доноры и акцепторы Характерной чертой полупроводников является их сильная чувствительность к примесям. Если в структуру идеального полупроводника ввести атом, относящийся к пятой группе периодической системы элементов, например сурьму или мышьяк, то четыре его электрона займут места в связях с соседними атомами полупроводника, а пятый - окажется как бы лишним.

Ширина запрещенной зоны и концентрация носителей

Электропроводность собственных полупроводников При рассмотрении физики электропроводности было установлено, что удельная электропроводность металлов определяется концентрацией электронов проводимости и временем их релаксации. Электропроводность полупроводников будет определяться аналогично, с той только разницей, что в случае полупроводников необходимо принимать во внимание существование двух типов носителей - электронов и дырок.

Концентрация носителей в n полупроводниках

Практическое применение зависимостей, полученных при изложении физической природы проводимости полупроводников, рассмотрим на примере расчета удельного сопротивления донорного полупроводника.

Пример. В образце германия содержится nSb = 1 .10 -2 атомных процентов примесей сурьмы. Полагая, что при температуре 27 0C все атомы сурьмы ионизированы, вычислите концентрации электронов и дырок ne и np, а также удельное сопротивление германия при температуре 27 0C, считая что концентрация электронов определяется только донорными центрами, один кубический метр германия содержит N = 5 .10 28 атомов, подвижности электронов и дырок соответственно равны e=0,38 и p=0,18 рр м 2/(В .с), а концентрация носителей в собственном германии при тех же условиях составляет ni = 2,39 .10 19 м -3.

Получение, свойства и применение некоторых полупроводниковых материалов Германий. Природное сырье в результате химической переработки переводится в четыреххлористый германий - GeCl4, который дальнейшей переработкой переводится в двуокись - GeO2. Двуокись германия восстанавливается водородом до порошкового германия, который, после травления, сплавляется в слитки. Слитки помещаются в графитовые тигли и подвергаются очистке методом зонной плавки, а затем из расплава очищенного германия вытягивается монокристалл.

Расчет однотактного каскада усилителя мощности

Расчет мостового выпрямителя с фильтром

Расчет компенсирующего стабилизатора постоянного напряжения Схема компенсационного стабилизатора напряжения Схема содержит три основных элемента: регулирующий элемент на транзисторах VТ1 и VТ2, усилительный элемент (усилитель постоянного тока) на транзисторе VТ3 и источник опорного напряжения на стабилит­ронах. Собственно регулирующим элементом является транзистор VТ1, а транзистор VТ2 является согласующим элементом между большим выходным сопротивлением усилителя постоянного тока и малым входным сопротив­лением регулирующего транзистора VТ1.

Расчет управляемого тиристорного выпрямителя

Расчет выпрямителя источника питания Выпрямитель преобразует переменное напряжение, полученное от сетевого трансформатора, в постоянное. Точнее сказать, выпрямитель выдает не постоянное, а пульсирующее напряжение, которое потом сглаживают фильтром. Для преобразования служат нелинейные элементы, называемые вентилями, которые бывают электронными (электровакуумные диоды, кенотроны), ионными (газонаполненные лампы: тиратроны, газотроны), полупроводниковыми (полупроводниковые диоды и диодные сборки). Последние практически полностью вытеснили другие вентили.

Двухполупериодные выпрямители Выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Расчет трансформаторов

Методика расчета трансформаторов Рассчитать трансформатор - это значит определить размеры магнитопровода, диаметры проводов и числа витков обмоток при известных трансформируемых напряжениях и мощностях. Изменением размеров окна и сечения магнитопровода можно получить ряд вариантов конструкции одного и того же трансформатора. При изготовлении трансформаторов в расчете часто приходится исходить из наличия имеющегося магнитопровода или пластин для его сборки.

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Рассмотрим алгоритм решения на примере цепи Если по условию задачи внутренним сопротивлением источников (r01, r02 т. д.) пренебречь нельзя, и они заданы, то их необходимо ввести в расчетную схему, включая последовательно с соответствующим источником. По признакам, данным в определении независимого контура, можно выделить следующие независимые контуры: a-b-c-g-a (контур I), c-d-e-g-c (контур II), a-g-e-f-a (контур III). 2. Направление обхода указывается стрелкой снаружи схемы. Направление обхода по контурам выбрали совпадающим с направлением движения часовой стрелки. 3. Направления контурных токов в независимых контурах выбрали такими же, как и направления обхода контуров, по часовой стрелке.

Рабочее задание: 1.По заданным значениям напряжения, частоты и параметров элементов найдите символическим методом токи во всех ветвях и напряжения на всех элементах цепи. 2.Составьте баланс комплексных мощностей. 3.Постройте в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений.

Цель работы: настоящее домашнее задание ставит своей целью систематизировать знания, полученные при изучении раздела «электропривод» курса электротехники, и привить навык по выбору мощности двигателя для конкретного электропривода.

Содержание работы: 1. По заданной производительности производственного механизма выберете тип и серию (марку) двигателя для электропривода. 2. Рассчитайте мощность и ток, потребляемые двигателем из сети, а также номинальный момент и пусковой ток двигателя. 3. Изобразите схему управления и защиты и опишите принцип работы.

Полупроводниками называют материалы с сильной зависимостью удельной проводимости от внешних энергетических воздействий и содержания примесей. В полупроводниках появление носителей заряда возможно лишь при разрыве собственных валентных связей либо при ионизации примесных атомов. Основными характеристиками энергетических затрат являются Э - ширина запрещенной зоны, ЭПР - энергия ионизации примесей.

В общем случае удельная проводимость = en, где n и - концентрация и подвижность носителей заряда, меняющиеся с температурой.

График зависимости ln(n) от 1/T условно делится на три участка. При низких температурах (1-й участок) донорные уровни заполнены электронами. С увеличением температуры (условно 2-й участок) электроны переходят в зону проводимости. Увеличивающаяся при этом концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением:

где: NC - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, энергия которых приведена к дну зоны проводимости; ND - концентрация доноров; ЭD - энергия ионизации доноров.

3-й участок называют областью собственной проводимости. Концентрация носителей определяется выражением:

где: NB - эффективная плотность состояний в валентной зоне; Э - ширина запрещенной зоны.

Зависимость подвижности носителей заряда от температуры выражена намного слабее,. чем для концентрации, поэтому общий вид зависимости удельной проводимости от температуры определяется в основном зависимостью от нее концентрации носителей заряда.

Поскольку для создания полупроводниковых приборов с заданными характеристиками необходимо объяснить наблюдаемые особенности полупроводниковых материалов, научиться ими управлять и заранее прогнозировать поведение материала в тех или иных условиях, то необходимо создать модель описывающую процессы электропроводности полупроводников. Эта модель в первом приближении должна объяснять:


экспоненциальный рост проводимости с температурой для нелегированных материалов;

изменение проводимости и ее температурной зависимости при легировании полупроводников;

изменение проводимости и ее температурной зависимости при облучении полупроводников светом, бомбардировке высокоэнергетическими частицами и т.п.


По определению электропроводность характеризует изменение протекающего через образец тока при изменении приложенного к нему напряжения. В свою очередь величина электрического тока характеризуется количеством заряда переносимого через поверхность в единицу времени, т.е. для его характеристики необходимо знать концентрацию и скорость способных перемещаться зарядов. Таким образом приступая к изучению твердотельной электроники прежде всего необходимо рассмотреть процессы, которые приводят к появлению в однородном образце свободных носителей заряда и то как внешнее электрическое поле влияет на скорость их перемещения.

Контрольные вопросы.


Каково соотношение значений проводимости для проводников, полупроводников и диэлектриков?


Каково соотношение значений удельного сопротивления для проводников, полупроводников и диэлектриков?

Как экспериментально определить к какому классу материалов относится образец: к полупроводникам или металлам?

По какому закону изменяется с температурой электропроводность чистых (собственных полупроводников)?

Как влияет введение примесей на величину и температурную зависимость электропроводности полупроводников?

Математика, физика примеры решений задач, контрольных, курсовых.