Заняття гуртка "Радіоелектронне конструювання". "Класифікація напівпровідникових діодів, види. Умовні графічні позначення".

Конспект заняття в гуртку

«Радіоелектронне конструювання».

«____» ____________ 202__ року.

 

Тема: Класифікація напівпровідникових діодів, види. Умовні графічні позначення.

      ПР. Виготовлення  плат.

 

Мета:

•         навчальна: поглибити знання учнів про напівпровідникові діоди; вивчити різновиди діодів, їх умовні графічні позначення та застосування; навчити користуватись довідниковою літературою для визначення типів та параметрів діодів;
•         розвивальна: удосконалювати інтелектуальні здібності, сприяти формуванню вмінь логічно мислити, аналізувати, робити висновки, узагальнювати і систематизувати набуті знання;
•         виховна: виховувати в учнів вміння спілкуватися, працювати  у групах, допомагати у вирішенні тих чи інших проблем при конструюванні РЕА; сприяти розумінню необхідності дотримання правил безпеки під час виконання практичних робіт, користування електроприладами; сприяти фізичному розвитку.

 

Формування навичок та умінь: навчити учнів: вміти визначати на принципових електронних схемах напівпровідникові діоді; перевіряти їх працездатність, користуватись довідниковою літературою по напівпровідникових діодах. 

 

Тип заняття: вивчення нового теоретичного матеріалу, подальше набуття практичних вмінь та навичок радіоелектронного конструювання.

 

Методично-дидактичне та матеріально-технічне обладнання та забезпечення:

1.  Конспект.
2.  Різновид напівпровідникових діодів.
3.  Мультиметри, джерела живлення постійного струму,.
4.  Радіоелектронні комплектуючі, матеріали, інструменти та обладнання для виконання практичних робіт.
5.  Довідникова література.

 

Структура заняття.

 

І. Організаційно-вступна частина.

- привітання;

- створення робочого настрою.

- активізація розумової діяльності.

Доброго всім вам дня!

Наше заняття сьогодні буде присвячене подальшому вивченню  напівпровідникових діодів.

Перш ніж перейти до вивчення нового матеріалу, як завжди активізуємо нашу розумову діяльність шляхом проведення бліц – турніру: «Сьогодні самий активний та компетентний».

 

Бліц-турнір - «Сьогодні самий активний та компетентний»

Примірні питання які задаються під час проведення бліц – турніру під час кожного заняття.

Назвіть одиницю:

• сили струму;
• опору;
• напруги;
• частоти;
• індуктивності.

Назвіть прилад для вимірювання:

• напруги;
• потужності;
• опору
• струму.

 

•         Який струм називають постійним? Змінним?
•         Якими параметрами характеризується електричний струм?
•         Сформулювати закон Ома.

За підсумками бліц - турніру найбільш активним та компетентним (знаючим) сьогодні є….

 

ІІ. Актуалізація набутих теоретичних та опорних знань.

 

На попередньому занятті ми з вами вивчили поняття про прямі та зворотні струми та напруги діоду, вольт амперну характеристику діоду, світлодіод, фотодіод, фототранзистор.

Давайте ж пригадаємо базові поняття та знання, які будуть необхідні нам при вивченні наступної теми, винесеної на  сьогоднішнє заняття.

•     Які ви знаєте напівпровідникові матеріали?
•     Яка властивість напівпровідникових матеріалів?
•     Який принцип дії діоду?
•     Як позначаються виводи напівпровідникового діоду?
•     Що таке прямий струм діоду?
•     Який струм діоду називають зворотнім?
•     Яка відмінність прямої та зворотної напруги діоду?
•     Що виражає вольтамперна характеристика діоду?

Активізувавши нашу розумову діяльність, повторивши уже набуті та відомі знання, давайте перейдемо до теми сьогоднішнього заняття.

 

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

Незважаючи на інтенсивний розвиток мікроелектро­ніки, дискретні напівпровідникові прилади, і зокрема різні групи діодів, знаходять широке застосування в радіоелектронній апаратурі.

Вітчизняною промисловістю випускаються різні види діодів широкої номенклатури, що постійно поповнюється.

Сьогодні ми розглянемо: різновиди напівпровідникових діодів, їх умовні графічні позначення, з’ясуємо сферу застосування.

 

IV. Вивчення нового матеріалу.

 Повідомлення теми, мети та очікуваних результатів.

 

Засвоївши матеріал цієї теми учні будуть знати:

•   різновиди напівпровідникових діодів;
•   умовні графічні позначення діодів;
•   основні сфери використання діодів.

пояснювати:

•   принцип роботи різних діодів;

вміти:

•   читати схеми наявними напівпровідниковими діодами;
•   визначати тип діоду використаного в принциповій схемі;
•   визначати параметри діодів за довідниковою літературою.

 

План

1. Класифікація напівпровідникових діодів.

2. Види напівпровідникових діодів

2.1. Випрямні діоди

2.2. Діод Шоттки

2.3. Діоди універсальні й імпульсні

2.4. Лавинні діоди

2.5. Варикап

2.6. Тунельний діод

2.7. Фотодіод

2.8. Світлодіод

2.9. Стабілітрон і стабістор

2.10. Магнітодіод

2.11. Дині́стор

 

3.Умовні зображення і позначення діодів.

 

1. Класифікація напівпровідникових діодів.

 

Класифікація сучасних напівпровідникових діодів по їхньому призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам, вихідному напівпровідниковому матеріалу знаходить відображення в системі умовних позначок їхніх типів і типономіналів.

В даний час в експлуатації знаходиться велике число діодів, що мають різні позначення і маркування, хоча їхнє функціональне позначення часто однакове. Необхідно відзначити, що із самого початку розробок і виробництва діодів склалися дві системи їхніх умовних позначок, що з визначеними змінами діють і в даний час. Одна система поширюється на діоди малої потужності, застосовувана (в основному) у різних ланцюгах радіоелектронної апаратури, інша - на силові діоди, середній струм яких перевищує 10 А, використовувані в перетворювачах електроенергії.

 

Класифікацію напівпровідникових діодів проводять за наступними ознаками:

 

1. За переходом, в напівпровідникових діодах:

може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал-напівпровідник;

 

2. За методом виготовлення (отримання)  переходу бувають:

•    точкові, у яких використовується пластинка германію або кремнію з електропровідністю n-типу, завтовшки 0,1…0,6 мм і площею 0,5…1,5 мм²; з пластинкою стикається загострений провідник з нанесеною на вістря домішкою. При цьому з вістря в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, біля вістря утворюється мініатюрний р-n-перехід півсферичної форми;
•    планарні, у яких р-n-перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих долей квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди). Площинні діоди виготовляються методами сплавлення (вплавлення) або дифузії;
•    діод Шоттки (названий на честь імені німецького фізика Вальтера Шоттки), також відомий як «діод з гарячими носіями», є напівпровідниковим діодом з низьким значенням падіння прямої напруги, та дуже швидким перемиканням. Діоди Шоттки використовують перехід метал-напівпровідник, як бар'єр Шоттки, (замість p-n-переходу як у звичайних діодів);

 

3. За матеріалом напівпровідникові діоди бувають:

•   германієві, кремнієві, арсенідо-галієві тощо;

за фізичними процесами, на використанні яких базується робота діода:

•    тунельні (діоди Лео Есакі) — напівпровідникові елементи електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою. Застосовуються як підсилювачі, генератори тощо;
•    лавинно-пролітні напівпровідникові діоди, що працюють в режимі лавинного розмноження носіїв заряду при зворотному зміщенні електричного переходу та призначені для генерування надвисокочастотних коливань^[4];
•    фотодіоди — це приймачі оптичного випромінювання, які перетворюють світло, що падає на його фото чутливу область в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості;
•    світлодіоди (англ. LED — light-emitting diode) — напівпровідникові пристрої, що випромінюють некогерентне світло при пропусканні через них електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету;
•    діоди Ганна — тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації та перетворення коливань у діапазоні НВЧ. На відміну від інших типів діодів, принцип дії діода Ганна заснований не на властивостях p-n-переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника.

 

4. За призначенням напівпровідникові діоди поділяють на:
   •    випрямні напівпровідникові діоди, призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий;
   •    імпульсні — напівпровідникові діоди, що мають малу тривалість перехідних процесів в імпульсних режимах роботи;
   •    варикапи (діод Джона Джеумма) — напівпровідникові діоди, ємність яких керується зворотною напругою, і які призначені для застосування як елементи з електрично керованою ємністю;
   •    стабілітрони (діод Зенера) — напівпровідникові діоди, що працюють в режимі зворотного пробою та використовується як джерело опорної напруги;
   •    детекторні — напівпровідникові діоди, призначені для детектування сигналу;
   •    детекторні НВЧ — напівпровідникові діоди, призначені для детектування надвисокочастотного сигналу;
   •    параметричні — варикапи, що призначені для застосування в діапазоні надвисоких частот у параметричних підсилювачах,
   •    змішувальні — напівпровідникові діоди, призначені для перетворення високочастотних сигналів у сигнал проміжної частоти.

 

2. Види напівпровідникових діодів та їх застосування

 

2.1. Випрямні діоди – пристрої, в яких використовується одностороння провідність p-n переходу.

З вольт-амперної характеристики (ВАХ) I=f(U) видно, що при прямій напрузі (U_пр>0,70,8В) діод поводить себе як провідник і пропускає струм практично без перешкод.

Якщо зворотна напруга перевищує напругу пробою (U_зв>U_проб)відбувається руйнування p-n переходу – тепловий пробій.

Основні параметри:

I_{ср.пр.мах} – максимальний середній прямий струм;

I_{імп.пр.мах} – максимальний прямий струм в імпульсі;

U_зв.доп– зворотна допустима напруга.

 

З вольт-амперної характеристиці (ВАХ) видно, що значення прямого і зворотного струмів відрізняються на кілька порядків, а пряме спадання напруги не перевищує одиниць вольтів у порівнянні зі зворотною напругою, що може складати сотні і більш вольтів.

Випрямні діоди мають односторонню провідність, що дозволяє використовувати їх як випрямні елементи.

 

2.2. Діод Шоттки

Діод Шотткі (названий на честь німецького фізика Вальтера Шотткі). В спеціальній літературі часто використовують більш повну назву – діод з бар’єром Шоттки. Діод з бар'єром Шоттки відрізняється від звичайних діодів низьким падінням напруги при прямому включенні (від 0.2 до 0.4В залежно від сили струму, що протікає і володіє підвищеною швидкодією у порівнянні з звичайними діодами.

Ставити замість діода Шоттки звичайний діод не рекомендується, звичайний діод може швидко вийти з ладу.

 

2.3. Діоди універсальні й імпульсні

Діоди універсальні й імпульсні відрізняються від випрямних малим часом зворотного відновлення, чи великою величиною імпульсного струму. Діоди цієї групи можуть бути використані у випрямлячах на високій частоті, наприклад,  як детектор в модуляторах, перетворювачах, формувачах імпульсів, обмежниках і інших імпульсних пристроях.

 

2.4. Лавинні діоди

Лавинний діо́д —  різновид стабілітрона, робота якого заснована на оборотному лавинному пробої p-n переходу при зворотному включенні, тобто при подачі на шар напівпровідника з провідністю p-типу (анод) негативної відносно n-шару (катода) напруги. Ці діоди при зворотній галузі ВАХ мають лавинну характеристику, подібну до стабілітронів. Застосовуються лавинні діоди в електроніці як стабілітрони. Також застосовуються для захисту електричних ланцюгів від імпульсних перевищень напруг. Ці діоди часто називають супрессорами.

2.5. Варикап – напівпровідниковий діод який використовується для керування ємністю в електричному колі. Ємність варикапа можна змінювати в значних межах в пікофарадах, змінюючи зворотну напругу.

Варикапи використовують у пристроях автопідстроювання частоти, генераторах, гетеродинах з електронною перебудовою частоти.

 

2.6. Тунельний діод.

Містить ділянку з негативним диференційованим опором (відношення збільшення напруги до збільшення струму).

Тунельні діоди відносно стійкі до іонізуючого випромінювання, в порівнянні з іншими діодами. Це робить їх придатними для застосування в середовищах з високими рівнями радіації, наприклад, у космосі.

Також широко використовуються в генераторах, імпульсних пристроях, підсилювачах та у високочастотних перемикачах. Можуть працювати на дуже високих частотах.

 

2.7. Обернений діод – різновидність тунельного діоду. Обернені діоди застосовують як і тунельні в імпульсних пристроях, а також як перетворювачі сигналів (змішувачі та детектори) в радіотехнічних пристроях. Вольтамперна характеристика показана суцільною лінією.

 

 

2.7. Фотодіод. Фотодіод – пристрій, у якому використовується властивість р-n переходу реагувати на світло.

У фотодіоді за рахунок енергії світлового випромінювання виникає фотострум. Фотодіоди служать для формування електричних сигналів під дією виявлення і реєстрації світлових сигналів.

У генераторному режимі у діоді, під впливом падаючого світла, виникає електрорушійна сила.

 

2.8.Світлодіод.

Світлодіод – пристрій, у якому використовується властивість p-n переходу,

виготовленого з певного матеріалу, випромінювати світло, при пропусканні прямого струму.

Світлодіод створює некогерентне оптичне випромінювання визначеного спектрального складу при проходженні через нього прямого струму.

Конструкцією світлодіода передбачена можливість виводу світлового випромінювання з області переходу крізь прозоре скло в корпусі. Залежно від обраного матеріалу і ширини забороненої зони напівпровідника випромінювання може лежати в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій областях спектра.

Світлодіоди використовуються як світлові індикатори, джерела випромінювання в оптоелектронних парах, при роботі з кіно і фототехнікою, у пристроях автоматики.

 

2.9. Інфрачервоний діод.

Інфрачервоний світлодіод ( LED ) - це електронний пристрій, який випромінює інфрачервоне світло, не видиме неозброєним оком. Інфрачервоне світло може використовуватися для дистанційного керування, для передачі даних між пристроями, для забезпечення освітлення обладнання для нічного бачення або для інших цілей. Області застосування інфрачервоних світлодіодів це оптичні контрольно-вимірю-вальні прилади,  оптронні комутаційні пристрої, бездротові лінії зв'язку. Інфрачервоні (ІЧ)Іч діоди позначаються так само як і світлодіоди.

Інфрачервоні діоди, що випромінюють світло поза видимого діапазону, світіння ІЧ діода можна побачити і подивитися наприклад через камеру стільникового телефону, дані діоди так само застосовують в камерах відеоспостереження, особливо на вуличних камерах щоб в темний час доби була видна картинка.

2.9. Стабілітрон та стабістор використовується у схемах стабілізації напруги, працює у режимі електричного пробою (тобто при зворотній напрузі U_зв=U_ст), для якого характерним є те, що значні зміни струму відбуваються при незначних змінах напруги (електричний пробій не призводить до руйнування  p-n переходу).

Основні параметри:

U_ст – напруга стабілізації;

I_ст.min – мінімальний струм стабілізації;

I_ст.ном – номінальний струм стабілізації;

I_{ст. max} – максимальний струм стабілізації.

В роботі стабілітрона використовують зворотну ділянку вольт-амперної характеристики (ВАХ) при напрузі, що відповідає напрузі пробою.

На цій ділянці, починаючи з деякої напруги, позначеної як U_CT спостерігається стрімке зростання зворотного струму.

 

2.10.. Магнітодіод - це напівпровідниковий діод з р-n – переходом, в яких вольт-амперна характеристика змінюється під дією магнітного поля. Конструктивно магнітодіод.  Ефект Холла. В основу дії приладу покладено магнітно діодний ефект,

 

2.11. Дині́стор, діодний тиристор - тиристор, що має два виводи та проводить струм лише в одному напрямку. При збільшенні напруги прямий струм незначно зростає, оскільки збільшується швидкість руху носіїв, а інтенсивність рекомбінації зменшується. При збільшенні напруги до певної величини відбувається електричний пробій колекторного переходу. Опір диністора різко зменшується, струм через нього дуже зростає і падіння напруги на ньому значно зменшується. Вважається, що диністор перейшов з вимкненого стану в увімкнений.

Інші назви диністора: DIAC, діод Шоклі.

 

3.Умовні зображення і позначення діодів

 

Діод випрямляючий, стовп випрямляючий		Варикап
Діод тунельний		Діод випромінюючий
Діод обернений		Односторонній стабілітрон (діод Зенера)
Диністор  (діодний тиристор)		Двонаправлений стабілітрон (діод Зенера)
Діод Шоттки		Тріодний тиристор з управлінням по катоду
Фотодіод		Тріодний тиристор з управлінням по аноду

 

Властивості напівпровідникових приладів вигідно відрізняють їх від інших електронних приладів. До цих властивостей відносяться малі габарити, вага і споживання потужності, велика механічна міцність, відсутність споживання потужності на нагрівання.

 

V. Узагальнення та закріплення вивченого матеріалу.

 

Молодці, ми з вами сьогодні попрацювали добре, а тепер давайте закріпимо наші знання.

•       Які основні електричні параметри діодів?
•       Яка основна властивість діоду?
•       Що таке вольт амперна характеристика діоду?
•       Які ви знаєте різновиди діодів?
•       Що таке варикап?
•       Де використовується стабілітрон?
•       Що таке діод Зенера?

 

Ділова гра.

Я задаю питання, а відповідати на питання будете шляхом трьох підказок, як у грі «Вустами немовляти».

Завдання 1.

1. Ним почали користуватися у будинку на початку 20-го століття.
2. Коли його відключають, всім стає дуже нудно.
3. Він складається із заряджених частинок. (Електричний струм)
Завдання 2.
1. Їх використовують для захисту
2. У них немає вільних електронів.
3. Вони не проводять електричний струм. (Діелектрики)
Завдання 3.
1. Без нього не можна зібрати електричний ланцюг.
2. Перший такий прилад винайшов Вольта.
3. Він виробляє електричний струм. (Джерело живлення)
Завдання 4.
1. Він складається з двох речовин.
2. Він є в будь-якому побутовому електроприлади.
3. Він пропускає електричний струм лише в одному напрямку. (Діод)
Завдання 5.
1. Ці речовини бувають тверді, але можуть бути і рідкими.
2. Вони бувають двох родів.
3. Вони добре проводять електричний струм. (Провідники)
Завдання 6.
1. В металів при підвищенні температури він зростає, а в напівпровідників та електролітів - падає.
2. Він є навіть у людини, причому у кожного він різний.
3. Його можна виміряти омметром. (Опір)
 

VI. Практична частина.

Робота над подальшим виконанням практичних робіт за індивідуальними проектами.

 

1.        Підготовка до виконання практичних робіт.
   1.    Короткий періодичний інструктаж по ТБ під час роботи на верстатах;  під час виготовленні друкованих плат; під час.виконання монтажних робіт (паяння).

«Безпеки людини, під час роботи з електричним  приладами»

Що робити при уражені електричним струмом.

1. Вимкнути напругу вимикачем, від’єднати аварійну ділянку.
2. Звільнити потерпілого від струмопровідних частин
3. Не можна доторкатися до потерпілого оголеними руками.
4. Винести потерпілого з небезпечної зони.
5. При клінічній смерті зробити штучне дихання, а у випадку фібриляції серця – зовнішній масаж серця.
6. Визвати швидку допомогу, та готовити потерпілого до транспортування.

 

2.  Підготовка робочих місць учнями до виконання практичних робіт.

 

Виконання практичних робіт.

 

Робота керівника гуртка:

•   індивідуальна та групова практична та теоретична допомога (по необхідності) учням у виконанні практичних робіт;
•   контроль за виконанням правил ТБ, ПБ, санітарії при виконанні робіт;
•   забезпечення виконання робіт необхідними радіоелектронними компонентами, матеріалами.

Підведення підсумків та аналіз виконання робіт під час заняття з основним складом учнів. Постановка задач для подальшого виконання практичних робіт на наступне заняття.

 

  Керівник гуртка   Б. Смичок