ПН спојнице

Спасибо, за такой больной прием! Смотрите "Q-елі" ПН-ЧТ в 19:00 на Седьмом! (Може 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

ПН спојнице

Дискретни полупроводнички уређаји и склопови


Питање 1

Немој само седети тамо! Изградите нешто!

Учење математички анализирајућих кола захтева много студија и праксе. Уобичајено, ученици практикују тако што раде кроз многе проблеме узорка и провјеравају своје одговоре против оних које предвиђа уџбеник или инструктор. Иако је ово добро, постоји много бољи начин.

Више ћете научити стварајући градњу и анализу стварних кола, дозвољавајући вашој опреми за тестирање да пружи "одговоре" уместо књиге или друге особе. За вежбе вежбања кола, следите ове кораке:

  1. Пажљиво мерите и забележите све компоненте пре изградње кола, бирате вредности отпорника довољно високе да оштетите било коју активну компоненту мало вероватну.
  2. Прикријемо шематски дијаграм за коло које треба анализирати.
  3. Пажљиво изградите овај круг на плочи или другом пригодном медију.
  4. Проверите тачност конструкције кола, пратите сваку жицу на сваку везну тачку и проверите ове елементе један по један на дијаграму.
  5. Математички анализирај круг, решавање за све напонске и тренутне вредности.
  6. Пажљиво измерите све напоне и струје како бисте потврдили тачност ваше анализе.
  7. Ако постоје било какве значајне грешке (веће од неколико процената), пажљиво провјерите конструкцију кола на дијаграму, а затим пажљиво поновно израчунајте вриједности и поновно измјерите.

Када ученици прво сазнају о полупроводничким уређајима и највероватније ће их оштетити неправилним везама у својим колима, препоручујем да експериментишу са великим компонентама високог ватирања (1Н4001 исправљајуће диоде, ТО-220 или ТО-3 транзисторе за случај снаге, итд.) и коришћењем извора напајања из сувих ћелија, а не помоћног напајања. Ово смањује вјероватноћу оштећења компоненте.

Као и обично, избјегавајте врло високе и врло ниске отпорне вриједности, како бисте избјегли грешке у мерењу узроковане "учитавањем" метра (на високом крају) и избјегавање сагоревања транзистора (на доњем крају). Препоручујем отпорнике између 1 кΩ и 100 кΩ.

Један од начина на који можете уштедјети време и смањити могућност грешке је започињање врло једноставног круга и постепено додавање компоненти како би се повећала његова сложеност након сваке анализе, умјесто изградње потпуно новог кола за сваки проблем у пракси. Друга техника за уштеду времена је поновна употреба истих компоненти у различитим конфигурацијама кола. На овај начин нећете морати да измерите вредност било које компоненте компоненте више од једном.

Открити одговор Сакриј одговор

Нека сами електрони дају одговоре на своје "проблеме у пракси"!

Напомене:

Било је моје искуство да студенти захтевају много вежбања са анализом кола како би постали способни. У том циљу, инструктори обично пружају својим ученицима мноштво проблема у пракси и пружају одговоре студентима да провере свој рад против. Иако овакав приступ чини ученицима умешан у теорију кола, не успије их потпуно образовати.

Студенти не требају само математичку праксу. Они такође требају стварне, практичне кругове за изградњу праксе и употребу опреме за тестирање. Дакле, предлажем следећи алтернативни приступ: ученици треба да граде сопствене "праксе" са стварним компонентама и покушају математички предвидјети различите напонске и тренутне вриједности. На овај начин, математичка теорија "оживи", а студенти стичу практичну стручност коју не би добили само решавањем једначина.

Други разлог за пратњу овог начина праксе јесте да науче ученичке научне методе : процес тестирања хипотезе (у овом случају, математичких предвиђања) вршењем правог експеримента. Студенти ће такође развити стварне вештине решавања проблема јер повремено врше грешке у конструкцији кола.

Проведите неколико тренутака са вашом класом да бисте прегледали неке од "правила" за изградњу кругова пре него што почну. Разговарајте о овим питањима са вашим ученицима на исти начин у Сократу како бисте нормално разговарали о питањима радног листа, а не само да им кажете шта требају и не би требало да раде. Никада не престајем да се чудим колико су лоши ученици схватили упуте када су представљени у типичном предавању (инструктор монологу) формату!

Напомена инструкторима који се могу жалити на "изгубљено" време потребно да ученици граде стварна кола уместо само математички анализирање теоријских кругова:

Која је сврха ученика који изводе курс "ворксхеет панел панел-дефаулт" итемсцопе>

Питање 2

Однос између напона и струје за ПН спој описан је овом једначином, која се понекад назива "једначина диоде" или "Схоцклеиова диодна једначина" након његовог проналазача:

И Д = И С((кВ Д ) / НкТ) - 1)

Где,

И Д = Ток кроз ПН спој, у амперима

И С = ПН веза засићења струје, у амперима (обично 1 пицоамп)

е = Еулеров број ≈ 2.718281828

к = зарада електронске јединице, 1, 6 × 10 -19 кулона

В Д = Напон преко ПН спојнице, у волтима

Н = Коефицијент неједнакости или коефицијент емисије (обично између 1 и 2)

к = Болтзманнова константа, 1, 38 × 10 -23

Т = температура раздвајања, степени Келвин

У почетку ова једначина може изгледати врло застрашујућа, док не схватите да у њему постоје само три варијабле: И Д, В Д и Т. Сви остали термини су константе. Пошто у већини случајева претпостављамо да је температура прилично константна, заиста се ради само о две варијабле: струју диода и напон диоде. На основу ове реализације поновите уписати једначину као пропорционалност умјесто једнакост, показујући како се односе две варијабле диодне струје и напона:

И Д α. . .

На основу ове поједностављене једначине, како би изгледао И / В графикон за ПН спој? Како се овај граф упореди са И / В графиконом за отпорник?

Открити одговор Сакриј одговор

Поједностављена пропорционалност:

И Д α е В Д

График описан помоћу "диодне формуле" је стандардна експоненцијална кривуља, која нагло нарасте док се независна варијабла (В Д, у овом случају) повећава. Одговарајући граф за отпорник, наравно, је линеаран.

Напомене:

Питајте своје ученике да скицирају своје извођење експоненцијалне кривине на табли како би сви видели. Немојте само пустити их да побегну папирајући одговор: "То је експоненцијална кривина."

Питање 3

Карактеристично обојен сјај из електричног свјетла из плина је резултат енергије коју емитују електрони у атома гаса јер падају из високих "узбуђених" стања назад у њихове природне ("земаљске") стања. Као опште правило понашања електрона, они морају да апсорбују енергију из вањског извора како би скочили на виши ниво, и ослобађају ту енергију након враћања на првобитни ниво.

С обзиром на постојање овог феномена, за шта сумњате да се може десити унутар ПН споја док врши електричну струју "# 3"> Открити одговор Сакри одговор

ПН спојнице емитују енергију карактеристичне таласне дужине при провођењу струје. За неке врсте ПН крижања, таласне дужине су у видљивом опсегу светлости.

Питање за праћење: коју практичну примену можете замислити за овај феномен?

Напомене:

Практична примена ове појаве требало би да буде очигледна, и веома је уобичајена у савременој електронској опреми. Разговарајте са ученицима о енергетској ефикасности ове емисије светлости у поређењу са жарном лампом.

Питање 4

Када су полупроводнички делови типа "П" и "Н" доведени у блиски контакт, слободни електрони из "Н" комада ће се залетати да попуне рупе у делу "П", стварајући зону на обе стране контактне области која је без пуњачи. Шта се зове ова зона и које су његове електричне карактеристике?

Открити одговор Сакриј одговор

Ово се зове подручје осиромашења, а у суштини је изолатор на собним температурама.

Напомене:

Студенти би требало да знају да су полупроводници типа "Н" и "П" електрично проводљиви. Дакле, када се регион залеђивања формира у контактној зони између два различита типа полупроводника, мора се утицати на проводљивост од краја до краја. Питајте своје ученике шта је тај ефекат и који фактори могу утицати на то.

Питање 5

Шта се дешава са дебљином подручја осиромашења у ПН споју када се на њега примјењује спољашњи напон?

Открити одговор Сакриј одговор

Одговор на ово питање у потпуности зависи од поларитета примијењеног напона! Један поларитет има тенденцију да проширује подручје осиромашења, док супротни поларитет тежи да га компресира. Дозволићу вам да утврдите који поларитет врши која акција, заснована на вашем истраживању.

Напомене:

Питајте своје ученике какав утицај ова промена дебљине дебљине слоја има на укупну проводљивост кроз ПН спој. Под којим условима ће проводљивост бити највећа, и под којим условима ће проводљивост бити најмање?

Питање 6

Приказани су два енергетска дијаграма: један за полупроводнички материјал типа "П", а други за "Н" тип.

Следећи је енергетски дијаграм који приказује иницијално стање када се ова два дела полупроводног материјала доведу у додир једни са другима. Ово је познато као дијаграм равног појаса :

Држава представљена дијаграмом "флатбанд" дефинитивно је привремена. Два различита нивоа Ферми нису компатибилни једни с другима у одсуству спољашњег електричног поља.

Повуците нови енергетски дијаграм који представља стања финалне енергије након што се два нивоа Ферми изједначе.

Напомена: Е ф представља ниво енергије Ферми, а не напон. У физици, Е увек представља енергију и В за електрични потенцијал (напон).

Открити одговор Сакриј одговор

Електрони из Н-дела су се попели да попуне рупе у П-комаду како би постигли ниже стање енергије и изједначили два нивоа Ферми. Ово померање носача пуњења створило је електрично поље које одговара косим енергетским опсезима у средњем региону.

Следеће питање: шта је тај средњи регион назван "белешке скривене"> Напомене:

Ово је један од оних концепата које једноставно нисам могао разумјети када нисам имао схватања квантне природе електрона. У "планетарном" атомском моделу, нема разлога да се електрони крећу од Н-комада до П-комада, осим уколико је електрично поље потиснуло у том правцу. И обратно, када је електрично поље створило неуравнотеженост електрона, планетарна теорија слободног тока би предвидела да се електрони померају натраг натраг тамо одакле су дошли како би неутралисали поље.

Када схватите значај квантизованих енергетских стања и принцип да честице не "задржавају" непотребну енергију и стога остају у високим стањима када се могу помјерити на нижи ниво, концепт постаје много јаснији.

Питање 7

Наручите енергетски дијаграм за ПН полупроводнички спој под утицајем повратног спољашњег напона.

Открити одговор Сакриј одговор

Напомена: Е ф представља ниво енергије Ферми, а не напон. У физици, Е увек представља енергију и В за електрични потенцијал (напон).

Напомене:

Овде је веома важно да ученици разумеју ефекте електричног поља на енергетске опсеге.

Питање 8

Наручите енергетски дијаграм за ПН полупроводнички спој под утицајем напона спољашњег напона.

Открити одговор Сакриј одговор

Напомена: Е ф представља ниво енергије Ферми, а не напон. У физици, Е увек представља енергију и В за потенцијал (напон).

Напомене:

Овде је веома важно да ученици разумеју ефекте електричног поља на енергетске опсеге.

Питање 9

Нацртајте енергетски дијаграм за ПН полупроводничку спојницу која показује кретање електрона и рупа који проводе електричну струју.

Открити одговор Сакриј одговор

Да би се јасно видели акције носача пуњења (покретних електрона и рупа), не-покретни електрони у валентним опсезима нису приказани:

Знаци "+" и "-" показују локације јонизованих акцептора и донорских атома, узимајући електричне напојне да креирају рупе валентног трака и електронске проводнике.

Напомена: Е ф представља ниво енергије Ферми, а не напон. У физици, Е увек представља енергију и В за потенцијал (напон).

Напомене:

Студенти ће вероватно запитати зашто су у валентном опсегу Н-типа приказане неколико рупа, и зашто постоји неколико електрона у појасу проводљивости П-типа. Нека знају то само зато што су материјали типа Н-типа специфично дизајнирани да имају електроне у проводном појасу не значи да су потпуно лишени рупа валенца и виза! Оно што ваши студенти виде овде су мањински превозници .

Питање 10

Да ли је ова диода унапред пристрасна или преокренуту пристрасна "//ввв.беаутицрев.цом.ау//суб.аллабоутцирцуитс.цом/имагес/куиз/02299к01.пнг">

Открити одговор Сакриј одговор

Ова диода је реверсно пристрасна.

Напомене:

Овде нема ничег коментара!

Питање 11

Укључите диоду у схему струјног кола у правом смеру да би се напријед напрегнула напон батерије:

Открити одговор Сакриј одговор

Напомене:

Овде нема ничег коментара!

Питање 12

Већина уводних уџбеника ће вам рећи да силицијумски ПН спој пада 0, 7 волта када је преднапрегнуто, а германијумско ПН спој пада 0, 3 волта када се напредује. Дизајнирајте круг који тестира "напонски напон" (В Ф ) диоде ПН-споја, тако да сами можете мерити напон, без употребе специјалног мерача за тестирање диода.

Открити одговор Сакриј одговор

Напомене:

Питајте ученике како ће одредити величину отпорника који ће се користити за овај круг "диоде тест". Било би дозвољено користити било коју произвољну вриједност отпорника, или је вриједност значајно важна "ворксхеетпанел панел панел-дефаулт" итемсцопе>

Питање 13

Ако је полупроводнички ПН спој прекривен, не идеална континуирана струја. Међутим, у стварном животу ће бити мала количина струје реверзне-пристраности која пролази кроз спој. Како је то могуће? Шта дозвољава ток реверсе струје?

Открити одговор Сакриј одговор

Мањински носиоци омогућавају повратну струју кроз ПН спој.

Напомене:

Прегледајте са својим ученицима шта су "носиоци мањина" и примените овај концепт на ПН спој. Пратите помаке ових носиоца мањина и упоредите их са предлозима већинског носиоца у предодређеном ПН раскрсници.

Питање 14

Шоклиова диодна једначина у стандардном облику је прилично дугачка, али може бити знатно поједностављена за услове собне температуре. Имајте на уму да ако се претпоставља да је температура (Т) собна температура (25 о Ц), у једнацини постоје три константе које су исте за све ПН криве: Т, к и к.

И Д = И С((кВ Д ) / НкТ) - 1)

Количина (кТ / к) је позната као топлотни напон спојнице. Израчунајте вредност овог термичког напона, с обзиром на собну температуру од 25 о Ц. Затим замените ову количину у оригиналну "диодну формулу" како бисте поједноставили његов изглед.

Открити одговор Сакриј одговор

Ако сте добили одговор од 2, 16 мВ за "термички напон", имате температуру у погрешним јединицама!

И Д = И С((В Д ) / 0, 0257 Н) - 1)

Напомене:

Наравно, студенти ће морати истраживати разлику између степена Келвин и ступњева Целзијуса како би успешно израчунали топлотни напон за спој. Такође ће морати схватити како замијенити ову цифру уместо к, к и Т у оригиналној једначини. Други корак ће бити тешко за ученике који нису снажни у вештинама алгебре.

За оне ученике, предложио бих сљедеће питање како би их правилно размишљао о алгебарској супституцији. Претпоставимо да смо имали формулу и = к (аб / цд), и знали смо да би (б / ц) могла бити написана као м. Како би заменили м у оригиналну једначину? Одговор: и = к (ам / д) .

Питање 15

Студент поставља круг који изгледа овако, да прикупи податке за карактеризацију диоде:

Мерни напон диода и струја диода у овом кругу, студент генерише сљедећу табелу података:


В диодуЈа диоде


0.600 В1.68 мА


0.625 В2.88 мА


0.650 В5.00 мА


0.675 В8.68 мА


0.700 В14.75 мА


0.725 В27.25 мА


0.750 В48.2 мА


Овај студент зна да понашање ПН споја прати Схоцклеиову диодну једначину и да се једначина може поједноставити у следећем облику:

И диоде = И С((В диода ) / К) - 1)

Где,

К = константа која укључује и термички напон и коефицијент неидеалности

Циљ овог експеримента је израчунати К и И С, тако да се струја диода може предвидјети за било коју произвољну вриједност падања напона. Међутим, једначина мора бити мало поједностављена пре него што студент настави.

На значајним нивоима струје, експоненцијални израз је много већи од јединства (е ((В диода ) / К) >> 1), тако да се једначина може поједноставити као таква:

И диоде ≈ И С((В диода ) / К) )

Из ове једначине утврдите како ће студент израчунати К и И С из података приказаних у табели. Такође, објасните како овај студент може потврдити тачност ових израчунаних вриједности.

Открити одговор Сакриј одговор

К ≈ 0.04516

И С ≈ 2.869 нА

Напомена: ово може бити тежак проблем да се ријеши ако нисте упознати са алгебарском техником дијељења једне једначине другом. Овде је техника приказана у општим условима:

Дати: и 1 = ак 1 и 2 = ак 2

и 1


и 2

= ак 1


ак 2

Одавде, можда је могуће извршити поједностављења пре тога. Предлажем да користите ову технику да бисте прво ријешили К.

Следеће питање: објасните како је овај студент знао да је "сигурно" поједноставити једначину диода Схоцклеи елиминацијом термина "- 1". Да ли је ова врста елиминације увек дозвољена "белешке скривене"> Напомене:

Алгебарска техника која се користи за решење за К је веома корисна за одређене типове проблема.

Разговарајте о наставном питању са својим ученицима. Важно је у области техничке математике имати добар осјећај релативних вриједности појмова једначине, тако да се може "сигурно" елиминисати појмови као техника поједностављивања, без икаквих значајних грешака. У једначини Схоцклеи диода лако је показати да је експоненцијални термин огроман у поређењу са 1 за вриједности В диода приказане у табели (претпостављајући типичну вриједност за термички напон), па је дио "- 1" врло сигуран за елиминисање.

Такође, разговарајте о идеји провјере израчунаних вриједности К и И С са студентима, како бисте им помогли у културном погледу на научно критичну тачку у студирању електронике.

Успут, подаци из ове табеле потичу из правог експеримента, постављеног тачно онако како је приказано у схематичном дијаграму у питању. Одржана је пажња да се избегне загревање диода окретањем потенциометра на максимални отпор између очитавања.

Питање 16

Да би се поједноставила анализа кругова који садрже ПН спојнице, претпоставља се "стандардни" пад напона напона за било који проводни спој, тачна слика у зависности од врсте полупроводничких материјала од којих је направљен спој.

Колико напона се претпоставља да се испусте преко проводне силицијеве ПН спојнице? Колико напона се претпоставља за преднапрегнути германијум ПН спој? Идентификујте неке факторе који узрокују стварни пад напона напона ПН споја да одступа од своје "стандардне" слике.

Открити одговор Сакриј одговор

Силицон = 0, 7 волти; Германијум = 0, 3 волта.

Температура, струја и допинг концентрација утичу на пад напона напона ПН спојнице.

Напомене:

Видио сам превише студената да добију лажни утисак да силицијумске ПН спојнице увек падају 0, 7 волта, без обзира на услове. Ова "чињеница" је толико изражена у многим уџбеницима које студенти обично не размишљају када мере излазни пад напона диода и сматрају да је знатно различит од 0, 7 волта! Веома је важно да ученици схвате да је ова цифра само апроксимација, која се користи ради (у великој мјери) поједностављеној анализи спојева полупроводника.

Питање 17


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


ПН полупроводнички прикључак са предње стране не поседује "отпорност" на исти начин као отпорник или дужина жице. Сваки покушај примене Охмовог закона на диоду је осуђен од почетка.

То не значи да не можемо додијелити динамичку вриједност отпора на ПН спој, мада. Основна дефиниција отпора долази из Охмовог закона и изражава се у изведеној форми као таква:

Р = дВ


дИ

Основна једначина која повезује струју и напон заједно за ПН спој је Схоцклеиова диода једначина:

И = И С(кВ / НкТ) - 1)

На собној температури (приближно 21 степени Ц, или 294 степени К), топлотни напон ПН споја је око 25 миливолта. Замењујући 1 за коефицијент неједнакости, једноставно можемо изједначити диода као такву:

И = И С(В / 0, 025) - 1) или И = И С40 В - 1)

Диференцира ову једначину у односу на В, како би се утврдило (дИ / дВ), а затим узвратило да пронађе математичку дефиницију динамичког отпора ((дВ / дИ)) ПН споја. Савети: засићна струја (И С ) је врло мала константа за већину диода, а коначна једначина треба да изрази динамички отпор у смислу термичког напона (25 мВ) и струје диода (И).

Открити одговор Сакриј одговор

р ≈ 25 мВ


Ја

Напомене:

Резултат овог извођења је важан у анализи појединих транзисторских појачавача, где је динамичка отпорност базног емитера ПН споја значајна за пристраност и добијање апроксимација. Показујем кораке решења за вас овде, јер је то уредна примена диференцијације (и замене) за решавање стварног проблема:

И = И С40 В - 1)

дИ


дВ

= И С (40е 40 В - 0)

дИ


дВ

= 40 И С е 40 В

Сада манипулишемо оригиналном једначином да добијемо дефиницију за И С е 40 В у смислу струје, ради замене:

И = И С40 В - 1)

И = И С е 40 В - И С

И + И С = И С е 40 В

Замена овог израза у дериват:

дИ


дВ

= 40 (И + И С )

Удисати да добије напон преко струје (прави облик за отпор):

дВ


дИ

= 0.025


И + И С

Сада се можемо ослободити тренутног израза засићења, јер је занемарљиво мали:

дВ


дИ

0.025


Ја

р ≈ 25 мВ


Ја

Константа од 25 миливолта није постављена каменом, ни на који начин. Његова вредност варира са температуром, а понекад се даје као 26 миливолта или чак 30 миливолта.

Питање 18

Измерите пад напона напона силиконске исправљачке диоде, као што је модел 1Н4001. Колико је близу измерен пад напона напона на "идеалну" слику која се обично претпоставља за силиконске ПН везе? Шта се догађа када повећате температуру диоде држећи га прстима? Шта се догађа када смањите температуру диоде додиривањем ледене коцке?

Открити одговор Сакриј одговор

Да ли сте заиста мислили да ћу дати одговор овдје, и покварити забаву постављања експеримента?

Напомене:

Диодови су врло осјетљиви на температуру, тако да ће овај експеримент бити врло једноставан за вођење. У вашој учионици можда немате доступан лед, али то је у реду. Ваши ученици треба да схвате да су овакви експерименти савршено фер за извођење код куће, где вероватно имају приступ леду.

Питање 19

Непроводни регион осиромашења ПН споја ствара паразитску капацитивност између П и Н полупроводничке области. Да ли се капацитивност повећава или смањује када се већи број уназад примјењује на ПН спој? Објасните свој одговор.

Открити одговор Сакриј одговор

Капацитет спојнице ће се смањивати с обзиром да се напон обрнуто-пристрасности преко споја повећава.

Питање изазова: да ли можете да размислите о практичним апликацијама за овај променљиви-капацитивни ефекат?

Напомене:

Ово питање је добар преглед теорије кондензатора, али и прилика за увођење посебне врсте диода: варактора .

  • ← Претходни радни лист

  • Индек листова

  • Следећи радни лист →