Unterrichtsstunde „Halbleiterbauelemente“. Eigenschaften von Halbleitern und ihre Anwendungen

Die rasante Entwicklung und Erweiterung der Anwendungsbereiche elektronischer Geräte ist auf die Verbesserung der Elementbasis zurückzuführen, deren Grundlage Halbleiterbauelemente sind. Halbleitermaterialien nehmen in ihrem spezifischen Widerstand (ρ = 10-6 ÷ 1010 Ohm m) ein Zwischenprodukt ein Platz zwischen Leitern und Dielektrika. Die rasante Entwicklung und Erweiterung der Anwendungsbereiche elektronischer Geräte ist auf die Verbesserung der Elementbasis zurückzuführen, deren Grundlage Halbleiterbauelemente sind. Halbleitermaterialien nehmen in ihrem spezifischen Widerstand (ρ = 10-6 ÷ 1010 Ohm m) ein Zwischenprodukt ein Platz zwischen Leitern und Dielektrika.

Für die Herstellung elektronischer Geräte werden feste Halbleiter mit kristalliner Struktur verwendet. Für die Herstellung elektronischer Geräte werden feste Halbleiter mit kristalliner Struktur verwendet. Halbleiterbauelemente sind Geräte, deren Funktionsweise auf der Nutzung der Eigenschaften von Halbleitermaterialien basiert.

Halbleiterdioden Hierbei handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang und zwei Anschlüssen, dessen Funktionsweise auf den Eigenschaften des pn-Übergangs basiert. Die Haupteigenschaft eines pn-Übergangs ist die Einwegleitfähigkeit – der Strom fließt nur in eine Richtung. Die herkömmliche grafische Bezeichnung (UGO) der Diode hat die Form eines Pfeils, der die Richtung des Stromflusses durch das Gerät angibt. Strukturell besteht die Diode aus einem pn-Übergang, der in einem Gehäuse eingeschlossen ist (mit Ausnahme von mikromodularen unverpackten) und zwei Anschlüssen: vom p-Bereich – der Anode, vom n-Bereich – der Kathode. Diese. Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung leitet – von der Anode zur Kathode. Die Abhängigkeit des Stroms durch das Gerät von der angelegten Spannung wird als Strom-Spannungs-Kennlinie (Volt-Ampere-Kennlinie) des Geräts I=f(U) bezeichnet.

Transistoren Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das dazu dient, elektrische Signale zu verstärken, zu erzeugen und umzuwandeln sowie elektrische Schaltkreise zu schalten. Eine Besonderheit des Transistors ist die Fähigkeit, Spannung und Strom zu verstärken – die am Eingang des Transistors wirkenden Spannungen und Ströme führen dazu, dass an seinem Ausgang deutlich höhere Spannungen und Ströme auftreten. Der Transistor erhielt seinen Namen von der Abkürzung der beiden englischen Wörter tran(sfer) (re)sistor – gesteuerter Widerstand. Mit dem Transistor können Sie den Strom im Stromkreis von Null bis zum Maximalwert regulieren.

Klassifizierung von Transistoren: Klassifizierung von Transistoren: - nach dem Funktionsprinzip: Feldeffekt (unipolar), bipolar, kombiniert. - je nach Wert der Verlustleistung: niedrig, mittel und hoch. - je nach Grenzfrequenzwert: Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstfrequenz. - je nach Betriebsspannung: Nieder- und Hochspannung. - nach funktionalem Zweck: universell, Verstärker, Schlüssel usw. - nach Design: ungerahmt und verpackt, mit starren und flexiblen Leitungen.

Abhängig von den ausgeführten Funktionen können Transistoren in drei Modi arbeiten: Abhängig von den ausgeführten Funktionen können Transistoren in drei Modi arbeiten: 1) Aktiver Modus – wird zur Verstärkung elektrischer Signale in analogen Geräten verwendet. Der Widerstand des Transistors ändert sich von Null auf den Maximalwert – man sagt, der Transistor „öffnet sich leicht“ oder „schließt sich leicht“. 2) Sättigungsmodus – der Transistorwiderstand geht gegen Null. In diesem Fall entspricht der Transistor einem geschlossenen Relaiskontakt. 3) Cut-off-Modus – der Transistor ist geschlossen und hochohmig, d.h. es entspricht einem offenen Relaiskontakt. Sättigungs- und Cutoff-Modi werden in Digital-, Impuls- und Schaltkreisen verwendet.

Anzeiger Ein elektronischer Anzeiger ist ein elektronisches Anzeigegerät zur visuellen Überwachung von Ereignissen, Vorgängen und Signalen. Elektronische Indikatoren werden in verschiedenen Haushalts- und Industriegeräten installiert, um eine Person über den Pegel oder Wert verschiedener Parameter zu informieren, beispielsweise Spannung, Strom, Temperatur, Batterieladung usw. Ein elektronischer Indikator wird oft fälschlicherweise als mechanischer Indikator mit elektronischer Skala bezeichnet.

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Halbleiter- oder elektrische Wandler sind Geräte, deren Funktionsweise auf der Nutzung der Eigenschaften von Halbleitern basiert.

Zu den Halbleitern zählen Elemente der vierten Gruppe des Periodensystems, die eine kristalline Struktur aufweisen. Am häufigsten sind Germanium, Silizium und Selen.

Zu den Halbleitern zählen auch Metalloxide – Oxide, Verbindungen mit Schwefel – Sulfide, Verbindungen mit Selen – Selenide.

Arten von Halbleitern und ihre Leitfähigkeiten. Ein intrinsischer Halbleiter ist ein reiner Halbleiter.

Der Prozess der Bildung freier Elektronen und Löcher wird als Erzeugung von Ladungsträgern bezeichnet.

In einem Halbleiter ist ein Prozess möglich, der dem Erzeugungsprozess entgegengesetzt ist – die Rekombination. Bei der Rekombination wird das Elektron-Loch-Ladungspaar zerstört. Mit zunehmender Temperatur steigt die Konzentration der Ladungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit in einem Halbleiter. Bei Temperatur beträgt die Ladungsträgerkonzentration für reines Ge 10 13 cm -3, für Si – 10 11 cm -3.

Dieser Halbleiter verfügt über eine eigene Leitfähigkeit, die zu gleichen Teilen aus Elektronen und Löchern besteht

Folie 3:

Arten von Halbleitern und ihre Leitfähigkeiten

Elektronischer Halbleiter

Leitfähigkeit dieses Typs wird als elektronisch oder n-Typ (von negativ) bezeichnet.

Eine Verunreinigung, die einen Überschuss an Elektronen liefert, wird als Donorverunreinigung bezeichnet (sie liefert Elektronen als Mehrheitsladungsträger und Löcher als Minderheitsladungsträger).

Lochhalbleiter

Loch (p-Typ) ist ein Verunreinigungshalbleiter, dessen Wertigkeit der Verunreinigungsatome geringer ist als die Wertigkeit der Atome eines reinen Halbleiters. Zum Beispiel Germanium mit einer Beimischung von Indium. Die Leitfähigkeit eines solchen Halbleiters wird durch Löcher bestimmt und wird als Loch oder Loch bezeichnet R-Typ (von positiv - positiv).

Eine Verunreinigung, die einen Überschuss an Löchern erzeugt, wird als Akzeptorverunreinigung bezeichnet.

Löcher sind die Mehrheitsladungsträger und Elektronen sind Minderheitsladungsträger.

Folie 5:

Halbleiterdioden

1. Kein Spannungsfall.

Der Bereich, in dem sich eine elektrische Doppelschicht und ein elektrisches Feld bilden, wird als Elektron-Loch-NP-Übergang bezeichnet.

Die Mehrheitsladungsträger, die sich durch den NP-Übergang bewegen, erzeugen einen Diffusionsstrom. Die Bewegung von Minderheitsladungsträgern erzeugt einen Leitungsstrom.

Im Gleichgewichtszustand sind diese Ströme gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Dann ist der resultierende Strom durch den Übergang Null.

2. Der Fall der Gleichspannung.

Spannung dieser Polarität wird als Gleichspannung bezeichnet.

Bei Durchlassspannung schwächt das äußere Feld das Feld des NP-Übergangs.

Der Übergang der Mehrheitsladungsträger wird den Übergang der Minderheitsladungsträger überwiegen. Durch die Verbindungsstelle fließt Gleichstrom. Dieser Strom ist hoch, weil durch die Hauptladungsträger bestimmt.

3. Fall von Sperrspannung.

Durch den NP-Übergang gelangen nur Minoritätsladungsträger: Löcher vom n-Halbleiter und Elektronen vom p-Halbleiter. Sie erzeugen im externen Stromkreis einen dem Vorwärtsstrom entgegengesetzten Strom – den Rückwärtsstrom. Es ist ungefähr tausendmal kleiner als der Gleichstrom, weil durch Minderheitsladungsträger bestimmt.

Folie 8:

Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode

Mit zunehmender Sperrspannung nehmen die Flüsse der Hauptladungsträger ab und der Sperrstrom steigt.

Eine weitere Erhöhung von U arr erhöht den Strom leicht, weil sie wird durch die Ströme der Minderheitsladungsträger bestimmt.

Die Haupteigenschaft von Dioden: weil Da Dioden den Strom in Vorwärtsrichtung gut und in Rückwärtsrichtung schlecht leiten, haben sie die Eigenschaft der Einwegleitfähigkeit, sind elektrische Ventile und werden in Wechselstrom-Gleichrichterschaltungen verwendet.

Folie 9:

Arten von Dioden

Planares Diodengerät

Punktdiodengerät

Bezeichnung von Halbleiterdioden in Diagrammen.

Folie 10:

Unterstützt Siliziumdioden

Diese Diode ist so ausgelegt, dass eine Erhöhung der Sperrspannung (anliegt). n-p– Übergang) über einem bestimmten Grenzwert führt zum Durchbruch der Diode – einem schnellen Anstieg des Sperrstroms ICH Rückwärtsgang mit konstantem Rückwärtsspannungswert U arr.

Wenn der Strom durch die Diode überschreitet ICH max. Dies führt zu Überhitzung und Zerstörung. Der Arbeitsabschnitt des Merkmals ist der Abschnitt von ICH Min. bis ICH max , welches zur Spannungsstabilisierung dient. Referenzdioden werden verwendet, um die Spannung zu stabilisieren und eine Referenzspannung (Referenzspannung) zu erzeugen. Deshalb werden sie Silizium-Zenerdioden genannt.

Die rasante Entwicklung und Erweiterung der Einsatzgebiete elektronischer Geräte ist auf die Verbesserung der Elementbasis zurückzuführen, deren Grundlage Halbleiterbauelemente sind. Halbleitermaterialien nehmen in ihrem spezifischen Widerstand (ρ = 10-6 ÷ 1010 Ohm) einen Zwischenplatz ein zwischen Leitern und Dielektrika. Halbleitermaterialien

Halbleiterdioden Hierbei handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang und zwei Anschlüssen, dessen Funktionsweise auf den Eigenschaften des pn-Übergangs basiert. Die Haupteigenschaft eines pn-Übergangs ist die Einwegleitfähigkeit – der Strom fließt nur in eine Richtung. Herkömmlicherweise hat die grafische Bezeichnung (UGO) der Diode die Form eines Pfeils, der die Richtung des Stromflusses durch das Gerät angibt. Strukturell besteht die Diode aus einem pn-Übergang, der in einem Gehäuse eingeschlossen ist (mit Ausnahme von mikromodularen unverpackten) und zwei Anschlüssen: vom p-Bereich – der Anode, vom n-Bereich – der Kathode. Das heißt, eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung leitet – von der Anode zur Kathode. Die Abhängigkeit des Stroms durch das Gerät von der angelegten Spannung wird als Volt-Ampere-Kennlinie (VAC) des Geräts I=f(U) bezeichnet.

Transistoren Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das dazu dient, elektrische Signale zu verstärken, zu erzeugen und umzuwandeln sowie elektrische Schaltkreise zu schalten. Eine Besonderheit des Transistors ist die Fähigkeit, Spannung und Strom zu verstärken – die am Eingang des Transistors wirkenden Spannungen und Ströme führen dazu, dass an seinem Ausgang deutlich höhere Spannungen und Ströme auftreten. Der Transistor erhielt seinen Namen von der Abkürzung der beiden englischen Wörter tran(sfer) (re)sistor – gesteuerter Widerstand. Mit dem Transistor können Sie den Strom im Stromkreis von Null bis zum Maximalwert regulieren.

Klassifizierung von Transistoren: - nach dem Funktionsprinzip: Feldeffekt (unipolar), bipolar, kombiniert. - je nach Wert der Verlustleistung: niedrig, mittel und hoch. - je nach Grenzfrequenzwert: Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstfrequenz. - entsprechend der Betriebsspannung: Nieder- und Hochspannung. - nach funktionalem Zweck: universell, Verstärker, Schlüssel usw. - nach Design: ungerahmt und verpackt, mit starren und flexiblen Leitungen.

Abhängig von den Funktionen, die sie ausführen, können Transistoren in drei Modi arbeiten: 1) Aktiver Modus – wird zur Verstärkung elektrischer Signale in analogen Geräten verwendet. Der Widerstand des Transistors ändert sich von Null auf den Maximalwert – man sagt, der Transistor „öffnet sich leicht“ oder „schließt“. 2) Sättigungsmodus – der Transistorwiderstand geht gegen Null. In diesem Fall entspricht der Transistor einem geschlossenen Relaiskontakt. 3) Abschaltmodus – der Transistor ist geschlossen und hochohmig, d. h. es entspricht einem offenen Relaiskontakt. Sättigungs- und Cutoff-Modi werden in Digital-, Impuls- und Schaltkreisen verwendet.

Indikator Der elektronische Indikator ist ein elektronisches Anzeigegerät zur visuellen Überwachung von Ereignissen, Prozessen und Signalen. Elektronische Indikatoren werden in verschiedenen Haushalts- und Industriegeräten installiert, um eine Person über den Pegel oder Wert verschiedener Parameter zu informieren, zum Beispiel Spannung, Strom, Temperatur, Batterieladung usw. Ein elektronischer Indikator wird oft fälschlicherweise als mechanischer Indikator mit Elektronik bezeichnet Skala. elektronisches Anzeigegerät, mechanischer Anzeiger

Integrierte Temperatursensoren am BT 2 Die meisten Halbleiter-Temperatursensoren nutzen die Beziehung zwischen Basis-Emitter-Spannung und Kollektorstrom. Grundlegende Temperaturmessschaltung Diagramme von Temperatursensorzellen Brokaw-Zelle Aktuelle Temperatursensorzelle

Integrierte Temperatursensoren am BT 3 Temperatursensoren mit Stromausgang TO-92 Gehäuse von -25 bis 105T A, °C 0,298I CC, mA von 4 bis 30V CC, V Verschiedene Schaltkreise zum Einschalten von Strom-DTs zur Ermittlung: a der Durchschnittstemperatur Wert an drei Punkten im Raum, b Punkte mit der minimalen Temperatur der drei kontrollierten Punkte, c die Temperaturdifferenz an zwei Punkten

Integrierte Temperatursensoren am BT 4 Temperatursensoren mit Spannungsausgang Vcc, V2, Empfindlichkeit, mV/C 10 Betriebstemperaturbereich, C AD AD Vcc, V Empfindlichkeit, mV/C 10 Betriebstemperaturbereich, C Icc, mA0,12 LM45 LM135 / 235/335 Vcc, B2, Empfindlichkeit, mV/ K 10 Betriebstemperaturbereich, C LM LM LM Die einfachsten Anwendungsschaltungen zum Messen von: a – dem Minimum von drei Temperaturen, b – dem durchschnittlichen Temperaturwert für drei Punkte, c – Temperaturdifferenzen Typische Einschaltkreise: a – ohne Kalibrierung, b – mit Kalibrierung

Integrierte Temperatursensoren auf BT 5 Schaltkreise eines einfachen Thermostats Ratiometrisches DT: a - Blockdiagramm, b - Schaltung zur Umwandlung der Temperatur in einen Code, der nicht von der Versorgungsspannung abhängt Ratiometrische DT-Messsysteme werden als ratiometrisch bezeichnet, wenn das Endergebnis der Umwandlung ist nicht temperaturabhängig. Das Ausgangssignal ratiometrischer Sensoren hängt von der Versorgungsspannung ab. Vcc, V2,7...3,6 Empfindlichkeit, mV/C 28 Betriebstemperaturbereich, C Icc, mA0,5 Gehäuse SOIC-8, TO92 Es ist praktisch, den Sensor mit dem 12-Bit-ADC AD7896 zu verbinden, der die Versorgung nutzt Spannung als Referenz

Temperatursensoren mit digitalem Ausgang 6 Die ICs MAX6576/MAX6577 sind kostengünstige, stromsparende Temperatursensoren mit einem Eindraht-Ausgang. Der MAX6576-Chip wandelt die Umgebungstemperatur in einen Mäander mit einer Periode proportional zur absoluten Temperatur (°K) um. Der MAX6577-Chip wandelt die Umgebungstemperatur in eine Rechteckwelle um, deren Frequenz proportional zur absoluten Temperatur ist. Der MAX6576 bietet eine Genauigkeit von ±3 °C bei +25 °C, ±4,5 °C bei +85 °C und ±5 °C bei +125 °C. Der MAX6577 bietet eine Genauigkeit von ±3 °C bei +25 °C, ±3,5 °C bei +85 °C und ±4,5 °C bei +125 °C. Name Schnittstelle Genauigkeit (±°C) Versorgungsspannungsbereich (V) Betriebsbereich (°C) Gehäuse MAX6576 MAX6577 Zeitraum – Temp. Frequenz - Temp. 3 2,7 bis 5,5 –40 bis /SOT2 3 Beide Geräte verfügen über einen Single-Wire-Ausgang, wodurch die Anzahl der für die Schnittstelle mit dem Mikroprozessor erforderlichen Pins minimiert wird. Der Perioden-/Frequenzbereich des Rechteckwellenausgangs kann ausgewählt werden, indem die beiden Timing-Pins (TS0, TS1) mit VDD (Strom) oder GND (gemeinsam) verbunden werden. Die MAX6576/MAX6577-Chips sind in kompakten 6-Pin-SOT23-Gehäusen erhältlich.

PWM-Temperatursensoren 7 TMP03/TMP04 ist ein Halbleiter-IC, dessen Ausgangsrechteckwellendauer direkt proportional zu seiner Temperatur ist. Der eingebaute Temperaturwandler erzeugt eine direkt proportionale Spannung zur Temperatur, die mit der Referenzspannung verglichen und das Vergleichsergebnis einem digitalen Modulator zugeführt wird. Das umfangreiche Codierungsformat des ausgegebenen seriellen Digitalsignals vermeidet Fehler, die bei anderen Geräten aufgrund der Instabilität der Taktfrequenz auftreten. Die Geräte verfügen über eine typische Messgenauigkeit von ±1,5 °C über einen Bereich von -25 °C bis +100 °C und eine hervorragende Linearität der Umwandlungskennlinie. Der digitale Ausgang des TMP04 ist TTL/CMOS-kompatibel, sodass er direkt an die meisten Mikrocontroller angeschlossen werden kann. Der offene Kollektorausgang des TMP03 hat einen maximalen Senkenstrom von 5 mA. TMP03 und TMP04 haben einen Betvon 4,5 bis 7 V. Bei Betrieb mit einer 5-V-Stromversorgung und unbelastetem Ausgang verbrauchen die Geräte weniger als 1,3 mA. TMP03/TMP04 sind für den Betrieb im Temperaturbereich von -40 °C bis +100 °C spezifiziert und in den Gehäusen TO-92, SO-8 und TSSOP-8 erhältlich. Mit reduzierter Genauigkeit sind die Geräte in der Lage, Temperaturen bis 150 °C zu messen. DT-Ausgangssignalformat

Temperatursensoren mit serieller digitaler Schnittstelle 8 Dieser Chip enthält neben einem Temperatursensor auf Bipolartransistorbasis auch einen Sigma-Delta-ADC, dessen Schnittstelle mit SPI- und MICROWIRE-Schnittstellen kompatibel ist. Der 13-Bit-ADC bietet eine °C-Auflösung über den Temperaturbereich von -55 bis +150 °C. Der Sensor kann in den Silent-Modus mit reduziertem Stromverbrauch (Shutdown-Modus) geschaltet werden, in dem der Stromverbrauch auf 10 μA reduziert wird. Der Sensor wird in einem SO-8-Gehäuse und in einem Miniatur-5-Pin-Micro-SMD-Gehäuse hergestellt. Temperatursensoren AD7816/17/18 Temperatursensoren DS18B20

Temperaturkomparatoren 9 Das Gerät verfügt über einen Open-Collector-Ausgang, der schaltet, wenn die Temperatur einen vom Benutzer festgelegten Wert erreicht. Der ADT05 verfügt über eine Hysterese von ca. 4 °C, was einen schnellen Ein-/Ausschaltzyklus ermöglicht. Der ADT05 ist für den Betrieb mit unipolaren Versorgungsspannungen von +2,7 bis +7,0 V ausgelegt und eignet sich daher sowohl für Batterieanwendungen als auch für industrielle Steuerungssysteme. Der Wert des Widerstands, der die Ansprechtemperatur einstellt, wird durch den Ausdruck bestimmt: R SET = 39 MΩ°C/(T SET (°C) + 281,6°C) – 90,3 kOhm. TMP01 ist ein Zweikanalregler, der ebenfalls eine zur absoluten Temperatur proportionale Ausgangsspannung erzeugt (Ausgang 5). Darüber hinaus generiert es Steuersignale an einem oder beiden Ausgängen, wenn die Temperatur außerhalb des angegebenen Temperaturbereichs liegt. Die oberen und unteren Grenzen des Bereichs sowie die Hysterese der Komparatoren jedes dieser Kanäle werden durch externe Widerstände eingestellt.