Привет всем читателям "Радиосхем ", меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды - не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.
Вы знаете как работает простой проводник - ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор - это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки - это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Теперь разберёмся - как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.
Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.
Полупроводниковые диоды
Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p - это positive (позитив, положительный), n - negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да - мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p - положительный является анодом, n - отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска - она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.
Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток - это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.
Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.
Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия - сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону - это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.
Биополярные и полевые транзисторы
Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а полевые пока не будем трогать - отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура - это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод - эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод - коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть "n", дальше эмиттер - принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.
Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать - транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.
Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n.
На этом статья закончена, если что-то не понятно - обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын .
Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, обладающий односторонней проводимостью. В основе его конструкции лежит равновесный р -n переход. По характеру образования перехода диоды делятся на точечные и плоскостные.
Для преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний широкое применение нашли полупроводниковые триоды – транзисторы . Для работы транзистора необходимо иметь два электронно-дырочных перехода, в качестве полупроводника часто используется германий.
В транзисторах, использующих n-р-n переход, полупроводник р -типанаходится между полупроводниками n -типа, Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рисунке 2.7.
Рис. 2.7. Принцип устройства транзистора и изображение транзисторов на схемах.
В данном транзисторе n-р-n типа имеется средняя область с дырочной проводимостью, и две крайние области с электронной проводимостью. Средняя область транзистора называется - базой , одна крайняя область – эмиттером, другая –коллектором. Таким образом, в транзисторе имеется два n-р перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. На схематических изображениях транзисторов стрелка показывает направление тока (условное, от плюса к минусу) в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.
Рассмотрим работу транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е 1 и Е 2 (рис 2.8).
Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е 1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллеткторного перехода велико, и напряжение Е 2 обычно составляет единицы или десятки вольт.
Рис. 2.8. Движение электронов и дырок в транзисторе n-р-n типа.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер, существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером Е 1 , т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Е 1 понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i э . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружочками со знаками « + » и « – ». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т.е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника Е 1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов.
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода.
Под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т.е. ток коллектора i к .
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но на транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем мощность, рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в таком случае называют симметричными ), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа n-p-n. Подобные же процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов.
Наиболее распространены три способа включения транзисторов:
- схема с общей базой , когда вход эмиттера и выход коллектора
подключены к общей базе;
- в схеме с общем эмиттером выходная цепь коллектора
подключается к эмиттеру вместо базы;
- схема с общим коллектором , иначе называемая эмиттернымповторилем.
Вывод: 1. Наличие примесей в полупроводниках обуславливает нарушение равенства между количеством дырок и электронов, и электрический ток будет создан преимущественно зарядами одного знака в зависимости оттого, что преобладает в полупроводнике.
2. В основе конструкции любого полупроводникового прибора лежат равновесные р -n переходы.
Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.
Транзисторы
Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.
Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.
С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.
Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.
Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.
Классификация транзисторов:
По принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.
По значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
По значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.
По значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
По функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.
По конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.
В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:
1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».
2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.
3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.
Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.
Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.
В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.
На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.
Рисунок 3 - Условно - графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)
Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости - электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).
Эмиттер (Э) - слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;
Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;
База (Б) - средний слой, управляющий током транзистора.
При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой - выходным (включается нагрузка), третий электрод - общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.
Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером
Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора - в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.
К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.
Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.
Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.
В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.
Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.
Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.
Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.
У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.
МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.
Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.
Подробнее о транзисторах смотрите здесь:
Тиристоры
Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.
Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.
Рисунок 5 - Условно - графическое обозначение тиристоров
Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.
Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.
Запираемый тиристор
– может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.
Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях.
Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.
Подготовлено
Учеником 10 «А» класса
Школы № 610
Ивчиным Алексеем
Рефератна тему:
«Полупроводниковыедиоды и транзисторы, области их пременеия»
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3.Типы полупроводниковых приборов
4.Производство
5. Областьприменения
1.Полупроводники: теория и свойства
Сначала надо познакомиться с механизмомпроводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связейудерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примерарассмотрим кристалл кремния.
Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней
оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительнослабо связанные
с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремниятакже равно
четырем. Взаимодействие пары соседних атомовосуществляется с помощью
паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. Вобразовании
этой связи от каждого атома участвуют по одномувалентному электрону, ко-
торые отщепляются от атомов (коллективизируютсякристаллом) и при
своем движении большую часть времени проводят впространстве между
соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживаетположительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связис соседними,
и любой валентный электрон может двигаться по одной изних. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальшевдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах неразрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрическийток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны ккристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметноговлияния на их движение.
Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и
наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. Вэлектрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрическийток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием уметаллов свободных
электронов электронов, называют электроннойпроводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, исвободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К числосвободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Этоприводит к уменьшению сопротивления.
Дырочная проводимость.
При разрыве связи образуется вакантное место снедостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточныйположительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положениедырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующийпроцесс. Один
из электронов, обеспечивающих связь атомов,перескакивает на место об-
разовавшиеся дырки и восстанавливает здесьпарноэлектронную связь.
а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новаядырка. Таким
образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равнанулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов,происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличииэлектрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, такимобразом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрическийток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположнонаправлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двухтипов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не толькоэлектронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условияхназывают собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимостьполупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов,например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то жевремя число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом,число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть отобщего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит втом, что в них
при наличии примесей наряду с собственной проводимостьювозникает
дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию
примеси, можно значительно изменять число носителейзаряда того
или иного знака. Благодаря этому можно создаватьполупроводники с
преимущественной концентрацией либо отрицательно, либоположи-
тельно заряженных носителей. Эта особенностьполупроводников откры-
вает широкие возможности для практического применения.
Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомовмышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электроноввозрастает во
много раз. Происходит это по следующей причине. Атомымышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в созданииковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния.Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидаетатом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электроновзначительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободныхэлектронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называютдонорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. Вполупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки -неосновными.
Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомыкоторого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперьдля образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Числодырок в крис-
талле равно числу атомов примеси. Такого рода примесина-
зывают акцепторными (принимающими). При наличииэлектрического поля
дырки перемешаютс по полю и возникает дырочнаяпроводимость. По-
лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости надэлектрон-
ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv- положительный).
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение иприменение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов:диод и транзистор.
/>В нястояшее время для выпрямления электрическигйтока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяютполупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электроннойлампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-nпереходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной илидонорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергиидля получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того,полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока болееминиатюрны, чем ламповые.
/> Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и другихвеществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорнойпримеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двухполупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большойзазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомныхрастояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствиедиффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхностигермания преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образцагермании, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диодегерманий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) иобратное (в) подсоеденение диода.
Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратномсоединении показана на рисунке 2.
Заменили лампы, очень широко используются в техники,в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.
Транзистор.
/>Рассмотрим один из видов транзистора из германия иликремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределениепримесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров)прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типарис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристаллеобразуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Тривывода от областей с различными типами проводимости позволяют включатьтранзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении
левый р-n переход является прямым и отделяет базу отобласти с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р–n -перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряженияисточников (батареи Б1 и источника переменного напря-
жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивлениепрямого пе-
/>рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так,что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базуот правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы небыло левого p-n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю.Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании жетока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила токав коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжениямежду эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дыркипроникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-сколькутолщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико,попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронамибазы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт дляосновных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторедырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока,ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечениябазы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальнойплоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере,изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R />мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивлениеможно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источникапеременного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменениенапряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменениенапряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепиэмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получитьэлектрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность,поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используютсяв технике.
3.Типы полупроводниковых приборов.
/>Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторовсуществуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см нарисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определеннойвеличины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочнойпроводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий видна рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид нарисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такогодиода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена,являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхностселена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающаяэлектронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющийток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.
4. Призводство
/>Технология изготовления диодатакова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной внесколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электроннойпроводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется спластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки,образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получаетсяполупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а междуними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивлениедиода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактамидиода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводнымипроводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус,присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса игерметизируют корпус.
5. Область применения
/> Диоды обладают большойнадежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечногодиода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могутвыпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном длямодуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любогодиода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратноготока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи еговыпремляющие и прочностные св-ва.
Транзисторы, как и диоды, чувствительны ктемпературе и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие отрадиоламп сгорают от неправильного подключения.
Основным элементом большинства полупроводниковых элементов является p-n переход.
р-n переходом называется область на границе полупроводников р и n типов.
Условно р-n переход можно показать следующим образом:
Опыт 12.3. Полупроводниковый диод.
Цель работы: Изучить принцип работы полупроводникового диода.
Оборудование:
- Источник регулируемого переменного напряжения
- Осциллограф
- Стенд со схемой
Ход работы.
1. Установка состоит из источника регулируемого переменного напряжения, осциллографа и стенда со схемой. Переменное напряжение от источника подается на вход стенда. На экране осциллографа наблюдается синусоида. Если увеличивать или уменьшать подаваемое напряжение, то, соответственно, увеличивается или уменьшается амплитуда синусоидального сигнала, видимого на экране осциллографа.
2. Изучим характер тока, протекающего через диод. Напряжение, попадающее на стенд, подается на края цепочки, состоящей из последовательно соединенных сопротивления и диода. В результате через цепочку идет уже не переменный ток, а пульсирующий, поскольку диод выпрямляет ток. Он пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. На схеме диод изображается таким образом, что острие треугольника, на данном этапе оно направлено вверх, указывает направление тока проходящего через диод. Для того, чтобы выяснить, каков характер тока, проходящего через диод, на вертикальный усилитель подается напряжение, которое снимается с концов сопротивления. Это напряжение пропорционально току, текущему через сопротивление. Наблюдают, что ток через диод действительно течет только в одном направлении. Полпериода ток отсутствует - горизонтальные участки, полпериода ток идет. Это половинки синусоид, которые смотрят вниз. Но если менять величину напряжения, подаваемую на вход стенда, будет меняется и величина тока, текущего через диод. Диод извлекают из стенда (сигнал на экране осциллографа пропал). Если повернуть диод на 180 градусов, острие треугольника на схеме будет направлено вниз, т.е. изменится направление тока, протекающего через диод. После установки диода на стенде вновь появляется сигнал на экране осциллографа, однако теперь уже те полпериода, которые соответствуют протеканию тока через диод, отображаются половинками синусоиды, направленными вверх.
3. Вольт-амперная характеристика диода – зависимость между током, протекающим через диод, и напряжением, которое подается на диод. Ток, протекающий через диод, по-прежнему пропорционален напряжению на концах сопротивлений. Это напряжение подается на вертикальный вход осциллографа, а на горизонтальный - напряжение с концов этой цепочки, оно пропорционально напряжению на диоде. В результате на экране осциллографа наблюдается вольт-амперная характеристика диода. Полпериода тока нет, это горизонтальный участок этой характеристики, и полпериода ток идет. Здесь в определенной степени выполняется закон Ома. Величина тока, текущего через диод, пропорциональна напряжению, подаваемому на диод. Если увеличивать или уменьшать напряжение, которое подается на диод, соответственно увеличивается или уменьшается ток, текущий через диод.
Вывод: Односторонняя проводимость p-n перехода позволяет создать выпрямляющее полупроводниковое устройство – полупроводниковый диод.
1. Знак проводимости соответствует знаку источника, тогда дырки переместятся влево, электроны вправо. Через р-n переход пойдет электрический ток, состоящий из электронов и дырок.
2. Знак проводимости противоположен знаку источника, тогда носители заряда движутся к полюсам, не переходя границу контакта полупроводников, ток через р-n переход не возникает, следовательно, р-n переход обладает односторонней проводимостью.
р-n переход используется в полупроводниковых диодах.
Транзистор – полупроводниковый прибор, который состоит из двух р-n переходов, включенных встречно. Эмиттер – область транзистора, откуда берутся носители заряда. Коллектор – область, куда стекаются носители заряда. База выполняет роль, аналогичную роли управляющей сетки в лампе.
Транзисторы служат для усиления электрических сигналов, потому что небольшое изменение напряжения между эмиттером и базой приводит к значительному изменению напряжения на нагрузке, включенной в цепи коллектора.
Опыт 12.4. Усилитель постоянного тока на транзисторе
Оборудование:
1. Транзистор на подставке
2. Фотодиод на подставке
3. Источник тока В-24
4. Соединительные провода
5. Электрическая лампочка
6. Два демонстрационных гальванометра
Схема установки (Рис. 117):
При затемнении фотоэлемента ток небольшой. Если же осветить фотоэлемент, то ток возрастает на участке G2.
Контрольные вопросы к § 12.
1) Дайте определение полупроводникам?
2) Элементы каких групп таблицы Менделеева относятся к полупроводникам?
3) Назовите два рода носителей электрического заряда, имеющихся в полупроводнике.
4) Перечислите оборудование в опыте 12.1 «Действие полупроводникового фотоэлемента».
5) Перечислите оборудование в опыте 12.2 «Электронно-дырочные проводимости полупроводников».
6) Дайте определение p-n переходу?
7) Перечислите оборудование в опыте 12.3 «Полупроводниковый диод».
8) Дайте определение вольт-амперной характеристике?
9) Дайте определение транзистору?
10) Перечислите оборудование в опыте 12.4 «Усилитель постоянного тока на транзисторе».
11) Дайте определение эмиттеру?
12) Дайте определение коллектору?
13) Почему транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов?
14) Как возникает электронная проводимость германия?
15) Как возникает дырочная проводимость германия?
16) Опишите устройство селенового фотоэлемента.
17) В каком полупроводниковом приборе используется односторонняя проводимость p-n перехода?
18) Опишите устройство полупроводникового диода.
19) Сколько p-n переходов существует в транзисторе?
20) Опишите устройство транзистора.