Расчет измерительных преобразователей

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Филиал в г.Прокопьевске

Курсовая работа

ДИСЦИПЛИНА  ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Тема: Расчет измерительных преобразователей

Выполнил: студент группы И-608

Кузнецов В.А.

Проверил: д.т.н. профессор

Масалов Е.В.

Прокопьевск 2009г

Содержание

1.          Введение                                                                                                                                                   4

2.          Назначение и область применения                                                                                          5

3.          Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов                                                                                                                                                                 6

4.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Общий принцип действия                                                                                                                                                                                10

5.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Конструкция полупроводниковых диодов                                                                                                                                11 

6.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов                                                              14

7.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Выпрямительные диоды                                                                                                                                                                                16

8.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды                                                                                                                                      20

9.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные  (СВЧ) диоды                                                                       31

10.                                                                                                                                                                                                                                                                                Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации                                                                                                                                      34

11.                                                                                                                                                                                                                                                                                Эффекты полупроводника                                                                                                                                                                                41

12.                                                                                                                                                                                                                                                                                Переход Шоттки     45

13.                                                                                                                                                                                                                                                                                Изготовление          47

14.                                                                                                                                                                                                                                                                                Достоинства и недостатки                                                                                                                                                                                48

15.                                                                                                                                                                                                                                                                                Перспективы развития                                                                                                                                                                                49

16.                                                                                                                                                                                                                                                                                Заключение             50

17.                                                                                                                                                                                                                                                                                Список литературы                                                                                                                                                                                51

Введение

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) электропроводностью.

Полупроводниковый диод представляет собой прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом.

Назначение и область применения

Назначение и применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно и зависит от вида конкретного диода. Основные виды диодов:

1) Выпрямительные диоды – п/п диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основной характеристикой такого диода является коэффициент выпрямления равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

2) Высокочастотные диоды (СВЧ-диоды) – эти диоды предназначены для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты. Они используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

3) Варикапы – это диоды, работа которых основана на изменении емкости электронно-дырочного перехода в зависимости прикладываемого обратного напряжения. Эти диоды применяются в качестве конденсаторов с управляемой емкостью.

4) Стабилитроны – это диоды, используемые для стабилизации напряжения. В этих диодах используется наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический пробой.

5) Туннельные диоды - при больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект p-n-перехода. При этом в ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением, что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний.

6) Импульсные диоды – это диоды, предназначенные для работы в импульсных схемах. В таких диодах перераспределение носителей зарядов в p-n-переходах при смене полярности напряжения происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а также легируют область p-n-перехода небольшой присадкой золота.

Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) По конструкции:

 - плоскостные диоды;

 - точечные диоды;

 - микросплавные диоды.

2) По мощности:

 - маломощные;

 - средней мощности;

 - мощные.

3) По частоте:

 - низкочастотные;

 - высокочастотные;

 - СВЧ.

4) По функциональному назначению:

 - выпрямительные диоды;

 - импульсные диоды;

 - стабилитроны;

 - варикапы;

 - светодиоды;

 - тоннельные диоды

и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

- маркировка диодов;

- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

По старому ГОСТу все диоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике.

Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:

I – показывает материал полупроводника:

Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия; И (4) – соединения индия.

II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;

А – диоды СВЧ;

C – стабилитроны;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

Ф – фотодиоды;

Л – светодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам (приведены в таблице 1).

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки

Рисунок 1 – Условное графическое обозначение

Таблица 1. Кодовая маркировка полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 10862-72

   1-й эле-мент

Исход-ный мате-риал

2-й эле-мент

Под-класс прибо-ра

3-й элемент

Группа внутри подкласса

Г или 1

Герма-ний

Д

Выпря-мите-льные диоды

101-399

Диоды выпрямительные малой мощности (Iпр.ср.<0,3A)

К или 2

Крем-ний

201-299

Диоды выпрямительные средней мощности (0,3

А или 3

Арсе-нид галлия или другие соеди-нения галлия

 

 

301-399

Импульсные

401-499

Диоды импульсные с временем восстановления (tвос.обр.>150 нс)

501-599

Диоды импульсные с временем восстановления 30 нс

601-699

Диоды импульсные с временем восстановления 5 нс

701-799

Диоды импульсные с временем восстановления 1 нс

801-899

Диоды импульсные с временем восстановления <1 нс

 

 

Ц

Выпря-митель-ные столбы и блоки

101-199

Выпрямительные столбы малой мощности (Iпр.ср.<0,3A)

201-299

Выпрямительные столбы средней мощности (0,3

301-399

Выпрямительные блоки малой мощности (Iпр.ср.<0,3A)

401-499

Выпрямительные блоки средней мощности (0,3

 

 

А

Сверх-высоко-частот-ные диоды

101-199

Смесительные

201-299

Детекторные

301-399

Модуляторные

401-499

Параметрические

501-599

Регулирующие

601-699

Умножительные

701-799

Генераторные

 

 

B

Варика-пы

101-199

Подстроечные

201-299

Умножительные

 

 

И

Диоды туннель-ные и обращен-ные

101-199

Усилительные

201-299

Генераторные

301-399

Переключающие

401-499

Обращенные

 

 

С

Стабили-троны и стабис-торы

201-299

Стабилитроны малой мощности (до 0,3 Вт) от 10 до 99 В

301-399

Стабилитроны малой мощности (до 0,3 Вт) от 100 до 199 В

401-499

Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) от 0,1 до 9,9 В

501-599

Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) 10 от до 99 В

601-699

Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) от 100 до 199 В

701-799

Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 0,1 до 9,9 В

801-899

Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 10 до 99В

901-999

Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 100 до 199В

 

 

Л

Излуча-тели

101-199

Инфракрасного излучения

201-299

Видимого излучения с яркостью менее 500 кд/м2

301-399

Видимого излучения с яркостью более 500 кд/м2

 

 

Н

Динис-торы

101-199

Динисторы малой мощности со средним током в открытом состоянии менее 0,3 А

201-299

Динисторы средней мощности со средним током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А

 

 

У

Тирис-торы

101-199

Тиристоры малой мощности со средним током в открытом состоянии менее 0,3 А

201-299

Тиристоры средней мощности со средним током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А

301-399

Запираемые тиристоры малой мощности с запираемым током менее 0,З А

401-499

Запираемые тиристоры средней мощности с запираемым током от 0,3 до 10 А

501-599

Симисторы малой .мощности с действующим током до 0,3 А

601-699

Симисторы средней мощности с действующим током от 0,3 до 10 А

Общий принцип действия

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

 

Рисунок 1 - Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n-типов.

Конструкция полупроводниковых диодов.

Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем.

Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом (рис. 2).

Рисунок 2

Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Точечные диоды.

Рисунок 3

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область (рис. 4).

Рисунок 4

Получается p-n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

Микросплавные диоды.

Их получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.

Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

 

Рисунок 5

Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

Рисунок 6

 - Максимально допустимый прямой ток Iпр.max.

 - Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.

 - Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max = (