Полупроводниковият диод е устройство с два изхода и един електрон-дупков преход
Полупроводниковите диоди се използват в радиоелектрониката, автоматизацията и изчислителните устройства и технологията за преобразуване на енергия. Диодите с висока мощност се използват в електроцентралите за захранване на тягови двигатели, задвижване на машини и механизми
Полупроводниковите диоди имат редица предимства в сравнение с електронните тръби: малък размер, леко тегло, висока ефективност, липса на нажежен източник на електрони, дълъг експлоатационен живот, висока надеждност.
Важно свойство на полупроводниковите диоди - еднопосочната проводимост - се използва широко в устройства за коригиране, ограничаване и преобразуване на електрически сигнали.
Диодите се класифицират по предназначение, физични свойства, основни електрически параметри, конструктивни и технологични характеристики (точкови и планарни), изходен полупроводников материал.
Според функционалното им предназначение полупроводниковите диоди се разграничават: токоизправителни, импулсни, ценерови (референтни), фотодиоди, светодиоди.
1. токоизправители, предназначени за преобразуване на променлив ток в постоянен ток и използване имот rnпреходът, както и други електрически преходи, провеждат ток добре в една посока и лошо в обратна посока. Тези токове и съответните напрежения се наричат прав и обратен ток и напрежение. Има нискочестотни и високочестотни токоизправителни диоди. Първите се използват в преобразуващите устройства на енергийната електроника, а вторите – за преобразуване на радиосигнали
2. импулсни са предназначени за първична работа в импулсни устройства. Техните свойства се определят от параметри, които отчитат инерцията на превключване на диода: капацитет на прехода, интервал на възстановяване на обратното съпротивление
3. Ценеровите диоди са предназначени да стабилизират постоянно напрежение и да ограничат пренапреженията на напрежението. Тези диоди използват феномена на неразрушителното електричество разбивка rnпреход при определени стойности на обратно напрежение. Важен параметър е температурен коефициентстабилизиране на напрежението.
Маркировката се основава на буквено-цифров код
Първата буква или цифра показва материала на полупроводниковия кристал: 1 или G – германий; 2 – К – силиций;3-А – галиев арсенид
Втората буква обозначава класа на диода: D - токоизправител, Ai - микровълнови диоди, B - варикап, C - ценеров диод, I - тунелен диод;
Следващите 3 цифри характеризират вида или обхвата на приложение 101-399 - AC коригиране, 401-499 - работа във високочестотни или ултрачестотни вериги, 501-599 - импулсни системи
Последната цифра показва дизайна или други характеристики на диода
Транзисторите са активни полупроводникови устройства с две взаимодействащи окръжни преходии три терминала, използвани за усилване и генериране на електрически трептения. (в комуникациите, телевизията, радара, радионавигацията, автоматизацията, телемеханиката, компютърната и измервателната техника.)
Транзисторът има трислойна структура, състояща се от редуващи се области с различни типове електропроводимост р-н-рили n-r-n принципдействието на транзистора се основава на използването физически процеси, възникващи при пренасянето на осн електрически зарядиот емитерната област към колекторната област (екстремни зони) през основата (средна зона). Целта на емитерния преход е инжектирането (инжектирането) на основните носители на емитера в основната област
Има 4 режима на работа на транзистора:
Активен (преходът емитер-база е свързан в посока напред, а преходът колектор-база е в обратна посока)
Обратно (преход емитер-база, включен в обратна посокаи преходът колектор-база е директен)
Режим на прекъсване - и двата прехода са активирани в обратна посока
Режим на насищане - и двата прехода са активирани в посока напред
Недостатъкът на транзисторите е относително високата нестабилност на техните параметри и характеристики. Причини за нестабилност: влияние на температурата заобикаляща среда, промени в параметрите по време на стареене във времето, вариации в параметрите по време на производствения процес на подобни транзистори.
Транзисторите се класифицират по материал, метод на движение на малцинствените носители в базовата област, мощност и честота, предназначение и метод на производство
Бързото развитие и разширяване на областите на приложение на електронните устройства се дължи на подобряването на елементната база, чиято основа е полупроводникови устройства. Следователно, за да се разбере функционирането на електронните устройства, е необходимо да се знае структурата и принципа на работа на основните типове полупроводникови устройства.
Транзистори
Транзисторът е полупроводниково устройство, предназначено да усилва, генерира и преобразува електрически сигнали, както и да превключва електрически вериги.
Отличителна черта на транзистора е способността да усилва напрежението и тока - напреженията и токовете, действащи на входа на транзистора, водят до появата на значително по-високи напрежения и токове на изхода му.
С разпространението на цифровата електроника и импулсните схеми основното свойство на транзистора е способността му да бъде в отворено и затворено състояние под въздействието на управляващ сигнал.
Транзисторът получава името си от съкращението на две английски думи tran(sfer) (re)sistor - управляван резистор. Това име не е случайно, тъй като под въздействието на входното напрежение, приложено към транзистора, съпротивлението между изходните му клеми може да се регулира в много широк диапазон.
Транзисторът ви позволява да регулирате тока във веригата от нула до максимална стойност.
Класификация на транзисторите:
Въз основа на принципа на работа: поле (еднополярно), биполярно, комбинирано.
Според стойността на разсейваната мощност: ниска, средна и висока.
Според стойността на граничната честота: ниско-, средно-, високо- и свръхвисокочестотни.
Според работното напрежение: ниско и високо напрежение.
По функционално предназначение: универсален, усилвател, ключ и др.
По дизайн: без рамка и пакетирани, с твърди и гъвкави изводи.
В зависимост от изпълняваните функции транзисторите могат да работят в три режима:
1) Активен режим - използва се за усилване на електрически сигнали в аналогови устройства. Съпротивлението на транзистора се променя от нула до максималната стойност - казват, че транзисторът „леко се отваря“ или „леко се затваря“.
2) Режим на насищане - съпротивлението на транзистора клони към нула. В този случай транзисторът е еквивалентен на затворен релеен контакт.
3) Режим на прекъсване - транзисторът е затворен и има голямо съпротивление, т.е. това е еквивалентно на отворен релеен контакт.
Режимите на насищане и изключване се използват в цифрови, импулсни и превключващи вериги.
Биполярен транзисторе полупроводниково устройство с две p-n преходи и три извода, което осигурява усилване на мощността на електрически сигнали.
В биполярните транзистори токът се причинява от движението на носители на заряд от два вида: електрони и дупки, което определя тяхното име.
На диаграмите транзисторите могат да бъдат изобразени както в кръг, така и без него (фиг. 3). Стрелката показва посоката на протичане на тока в транзистора.
Фигура 3 - Конвенционални графични обозначения на транзистори n-p-n (a) и p-n-p (b)
Основата на транзистора е полупроводникова пластина, в която са оформени три секции с редуващи се видове проводимост - електронна и дупкова. В зависимост от редуването на слоевете се разграничават два вида транзисторна структура: n-p-n (фиг. 3, а) и p-n-p (фиг. 3, b).
Емитер (E) - слой, който е източник на носители на заряд (електрони или дупки) и създава ток на устройството;
Колектор (K) – слой, който приема носители на заряд, идващи от емитера;
База (B) - средният слой, който контролира тока на транзистора.
Когато транзисторът е свързан към електрическа верига, един от неговите електроди е вход (източникът на входния променлив сигнал е включен), другият е изход (товарът е включен), а третият електрод е общ с по отношение на входа и изхода. В повечето случаи се използва схема с общ емитер (Фигура 4). Към основата се подава напрежение не повече от 1 V, а към колектора - повече от 1 V, например +5 V, +12 V, +24 V и др.
Фигура 4 - Вериги за свързване на биполярен транзистор с общ емитер
Токът на колектора възниква само когато протича базовият ток Ib (определен от Ube). Колкото повече Ib, толкова повече Ik. Ib се измерва в единици mA, а колекторният ток се измерва в десетки и стотици mA, т.е. IbIk. Следователно, когато към базата се подаде променлив сигнал с малка амплитуда, малкият Ib ще се промени, а големият Ik ще се промени пропорционално на него. При свързване на товарно съпротивление към колекторната верига, върху него ще се излъчва сигнал, повтарящ формата на входа, но с по-голяма амплитуда, т.е. усилен сигнал.
Максимално допустимите параметри на транзисторите включват предимно: максимално допустимата мощност, разсейвана на колектора Pk.max, напрежението между колектора и емитера Uke.max, тока на колектора Ik.max.
За увеличаване на максималните параметри се произвеждат транзисторни възли, които могат да наброяват до няколкостотин паралелно свързани транзистора, затворени в един корпус.
Биполярните транзистори сега се използват все по-рядко, особено в технологията за превключване на захранването. Мястото им е заето MOSFET полеви транзистори и комбинирани IGBT транзистори, които имат безспорни предимства в тази област на електрониката.
В транзисторите с полеви ефекти токът се определя от движението на носителите само на един знак (електрони или дупки). За разлика от биполярните, токът на транзистора се контролира електрическо поле, което променя напречното сечение на проводящия канал.
Тъй като няма ток във входната верига, консумацията на енергия от тази верига е практически нулева, което несъмнено е предимство на полевия транзистор.
Структурно транзисторът се състои от проводящ канал от n- или p-тип, в краищата на който има области: източник, който излъчва носители на заряд, и дренаж, който приема носители на заряд. Електродът, който служи за регулиране на напречното сечение на канала, се нарича порта.
Транзистор с полеви ефектие полупроводниково устройство, което регулира тока във верига чрез промяна на напречното сечение на проводимия канал.
Има полеви транзистори с вход p-n формапреход и с изолирана порта.
Полевите транзистори с изолирана порта имат изолационен слой от диелектрик между полупроводниковия канал и металната порта - MOS транзистори (метал - диелектрик - полупроводник), специален случай - силициев оксид - MOS транзистори.
MOS транзистор с вграден канал има начална проводимост, която при липса на входен сигнал (Uzi = 0) е приблизително половината от максималната. В MOS транзистори с индуциран канал, при напрежение Uzi = 0, няма изходен ток, Ic = 0, тъй като първоначално няма проводящ канал.
MOS транзисторите с индуциран канал се наричат още MOSFET транзистори. Те се използват главно като ключови елементи, например в импулсни захранвания.
Ключовите елементи на MOS транзисторите имат редица предимства: сигналната верига не е галванично свързана с източника на управляващо действие, управляващата верига не консумира ток и има двупосочна проводимост. Транзисторите с полеви ефекти, за разлика от биполярните транзистори, не се страхуват от прегряване.
Прочетете повече за транзисторите тук:
Тиристори
Тиристорът е полупроводниково устройство, което работи в две стабилни състояния - ниска проводимост (тиристор затворен) и висока проводимост (тиристор отворен). Структурно тиристорът има три или повече p-n преходи и три изхода.
В допълнение към анода и катода, конструкцията на тиристора осигурява трети извод (електрод), който се нарича контролен извод.
Тиристорът е предназначен за безконтактно превключване (включване и изключване) на електрически вериги. Те се характеризират с висока скорост и възможност за превключване на токове с много значителна величина (до 1000 A). Те постепенно се заменят с превключващи транзистори.
Фигура 5 - Конвенционално графично обозначение на тиристори
Динистори (двуелектродни)- подобно на конвенционалните токоизправителни диоди, те имат анод и катод. С увеличаване на предното напрежение при определена стойност Ua = Uon, динисторът се отваря.
Тиристори (тиристори - триелектродни)- имат допълнителен управляващ електрод; Uon се променя от управляващия ток, протичащ през управляващия електрод.
За да прехвърлите тиристора в затворено състояние, е необходимо да приложите обратно напрежение (- към анода, + към катода) или да намалите предния ток под стойност, наречена задържан ток Ihold.
Заключващ се тиристор– може да се превключи в затворено състояние чрез подаване на управляващ импулс с обратна полярност.
Тиристори: принцип на работа, дизайн, видове и методи на включване
Триаци (симетрични тиристори)- провеждат ток в двете посоки.
Тиристорите се използват като безконтактни ключове и управлявани токоизправители в устройства за автоматизация и преобразуватели на електрически ток. Във вериги с променлив и импулсен ток можете да промените отвореното време на тиристора и следователно времето, през което токът протича през товара. Това ви позволява да регулирате мощността, подадена към товара.
Еднопосочната проводимост на контактите между два полупроводника (или метал към полупроводник) се използва за изправяне и преобразуване на променливи токове. Ако има един преход електрон-дупка, тогава неговото действие е подобно на действието на двуелектродна лампа - диод (виж § 105). Следователно, полупроводниково устройство, съдържащо един р-н-преход се нарича полупроводник (кристален) диод. Полупроводниковите диоди според тяхната конструкция се разделят на точкаИ планарен.
Ориз. 339 Фиг. 340
Като пример, помислете за точков германиев диод (фиг. 339), в който тънък волфрамов проводник 1 е притиснат към н- германий 2 с връх с алуминиево покритие. Ако краткотраен токов импулс премине през диод в посока напред, тогава дифузията на A1 в Ge рязко се увеличава и се образува слой от германий, обогатен с алуминий и имащ Р- проводимост. На границата на този слой a р-н-преход като висок коефициентизправяне. Поради ниския капацитет на контактния слой, точковите диоди се използват като детектори (изправители) на високочестотни трептения до сантиметровия диапазон на дължината на вълната.
Схематичната диаграма на планарен токоизправител от меден оксид (купрокси) е показана на фиг. 340. Използвайки химическа обработка, слой от меден оксид Cu 2 O се изгражда върху медна плоча, която е покрита със слой сребро. Сребърният електрод служи само за свързване на токоизправителя към веригата. Частта от слоя Cu 2 O, съседна на Cu и обогатена с него, има електронна проводимост, а частта от слоя Cu 2 O, съседна на Ag и обогатена (по време на производството на токоизправителя) с кислород, има проводимост на дупки. По този начин се образува бариерен слой в дебелината на меден оксид с посока на потока от Cu 2 O към Cu ().
Технологията на производство на германиев планарен диод е описана в § 249 (виж Фиг. 325). Селеновите диоди и диодите на базата на галиев арсенид и силициев карбид също са често срещани. Разглежданите диоди имат редица предимства в сравнение с електронните тръби (малки габаритни размери, висока ефективност и експлоатационен живот, постоянна готовност за работа и др.), Но те са много чувствителни към температурата, така че диапазонът на техните работни температури е ограничен ( от –70 до +120°C). п-н-Преходите не само имат отлични коригиращи свойства, но могат да се използват и за усилване, а ако във веригата се въведе обратна връзка, тогава и за генериране на електрически трептения. Устройствата, предназначени за тези цели, се наричат полупроводникови триодиили транзистори(първият транзистор е създаден през 1949 г. от американските физици D. Bardeen, W. Brattain и W. Shockley; Нобелова награда 1956).
Германий и силиций се използват за производството на транзистори, тъй като се характеризират с висока механична якост, химическа стабилност и по-голяма подвижност на токоносителите, отколкото в други полупроводници. Полупроводниковите триоди се делят на точкаИ планарен. Първите значително повишават напрежението, но изходните им мощности са ниски поради опасност от прегряване (например горната граница на работната температура на точковия германиев триод е в диапазона 50 - 80 ° C). Планарните триоди са по-мощни. Може да са като п-п-пи тип п-п-пв зависимост от редуването на области с различна проводимост.
Например, помислете за принципа на работа на планарен триод п-п-п, т.е. базиран на триод н-полупроводник (фиг. 341). Работните „електроди“ на триода, които са база(средната част на транзистора), излъчвателИ колектор(зони, съседни на основата от двете страни с различен тип проводимост) са включени във веригата с помощта на неизправящи контакти - метални проводници. Между емитера и основата се прилага постоянно преднапрежение, а между основата и колектора - постоянно обратно преднапрежение. Усиленото променливо напрежение се прилага към входното съпротивление, а усиленото се отстранява от изходното съпротивление
Потокът от ток в емитерната верига се дължи главно на движението на дупките (те са основните токоносители) и е придружено от тяхното „инжектиране“ - инжекция- към основната площ. Отворите, които проникват в основата, дифундират към колектора и при малка дебелина на основата значителна част от инжектираните отвори достигат до колектора. Тук дупките се улавят от полето, действащо вътре в кръстовището (привлечено към отрицателно заредения колектор) и променят тока на колектора. Следователно всяка промяна в тока в емитерната верига причинява промяна в тока в колекторната верига.
Чрез прилагане на променливо напрежение между емитера и основата получаваме променлив ток в колекторната верига и променливо напрежение на изходното съпротивление. Размерът на печалбата зависи от свойствата п-н-преходи, съпротивления на натоварване и напрежение на батерията Bk.Обикновено >>, следователно значително по-високо от входното напрежение (коефициентът на усилване може да достигне 10 000). Тъй като освободената мощност на променлив ток може да бъде по-голяма от тази, консумирана в емитерната верига, транзисторът също осигурява усилване на мощността. Тази усилена мощност идва от източник на ток, свързан към колекторната верига.
От това, което беше обсъдено, следва, че транзисторът, подобно на вакуумна тръба, осигурява усилване както на напрежението, така и на мощността. Ако в лампата анодният ток се контролира от напрежението на мрежата, тогава в транзистора колекторният ток, съответстващ на анодния ток на лампата, се контролира от базовото напрежение.
Принцип на работа на транзистора п-п-п-тип е подобен на този, обсъден по-горе, но ролята на дупки се играе от електрони. Има и други видове транзистори, както и други схеми за свързването им. Благодарение на предимствата си пред вакуумните тръби (малки размери, висока ефективност и експлоатационен живот, липса на нажежен катод и следователно по-малка консумация на енергия, липса на вакуум и т.н.), транзисторът направи революция в областта на електронните комуникации и осигури създаването на на високоскоростни компютри с голямо количество памет.
- Каква е същността на адиабатното приближение и приближението на самосъгласуваното поле?
- Как се различават енергийните състояния на електроните в изолиран атом и кристал? Какво представляват забранените и разрешените енергийни зони?
- Как се различават полупроводниците и диелектриците според лентовата теория? метали и диелектрици?
- Когато според лентовата теория твърдодали е проводник на електрически ток?
- Как да обясним увеличаването на проводимостта на полупроводниците с повишаване на температурата?
- Какво определя проводимостта на собствените полупроводници?
- Защо нивото на Ферми във вътрешен полупроводник е разположено в средата на забранената лента? Докажете тази позиция.
- Какъв е механизмът на проводимостта на електронните примеси в полупроводниците? дупка примес проводимост?
- Защо присъщата проводимост преобладава в примесните полупроводници при достатъчно високи температури?
- Какъв е механизмът на присъщата фотопроводимост? примесна фотопроводимост? Каква е червената граница на фотопроводимостта?
- Според теорията на лентите какви са механизмите на флуоресценция и фосфоресценция?
- Какви са причините за възникване на контактна потенциална разлика?
- Каква е същността на термоелектричните явления? Как да обясним появата им?
- Когато възниква блокиращ контактен слой, когато метал влезе в контакт с полупроводник н-като? с полупроводник Р-като? Обяснете механизма на образуването му.
- Как да обясним еднопосочната проводимост р-п- преход?
- Каква е характеристиката ток-напрежение п-н- преход? Обяснете възникването на прав и обратен ток.
- Коя посока в полупроводников диод позволява преминаването на ток?
- Защо един полупроводников диод носи ток (макар и слаб) дори при напрежението на прекъсване?
Задачи
31.1. Пробата от германий се нагрява от 0 до 17°C. Приемайки ширината на забранената зона на силиций за 0,72 eV, определете колко пъти ще се увеличи неговата специфична проводимост. [2,45 пъти]
31.2. Малка добавка на бор се въвежда в чистия силиций. Възползвам се Периодичната таблица D.I. Менделеев, определете и обяснете вида на проводимостта на примесния силиций.
31.3. Определете дължината на вълната, при която фотопроводимостта все още се възбужда в полупроводника с примеси.
Подготвени
Ученик от 10 "А" клас
Училище No610
Ивчин Алексей
Резюме по темата:
„Полупроводникови диоди и транзистори, техните области на приложение”
2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)
3. Видове полупроводникови устройства
4.Производство
5. Област на приложение
1. Полупроводници: теория и свойства
Първо трябва да се запознаете с механизма на проводимостта в полупроводниците. И за да направите това, трябва да разберете природата на връзките, които държат атомите на полупроводниковия кристал близо един до друг. Например, помислете за силициев кристал.
Силицият е четиривалентен елемент. Това означава, че във външния
обвивката на атома има четири електрона, относително слабо свързани
със сърцевина. Броят на най-близките съседи на всеки силициев атом също е равен на
четири. Взаимодействието на двойка съседни атоми се осъществява с помощта на
paonoelectronic комуникация, т.нар ковалентна връзка. В образованието
Тази връзка от всеки атом включва едновалентен електрон, който
които се отделят от атоми (колективизирани от кристала) и кога
в своето движение прекарват по-голямата част от времето си в пространството между
съседни атоми. Техният отрицателен заряд държи положителните силициеви йони близо един до друг. Всеки атом образува четири връзки със своите съседи,
и всеки валентен електрон може да се движи по една от тях. След като достигне съседен атом, той може да премине към следващия, а след това по-нататък по целия кристал.
Валентните електрони принадлежат на целия кристал Двойно-електронните връзки на силиций са доста силни и не могат да се разрушат при ниски температури. Следователно силицият не провежда електрически ток при ниски температури. Валентните електрони, участващи в свързването на атомите, са здраво прикрепени към кристалната решетка и външното електрическо поле не оказва забележимо влияние върху тяхното движение.
Електронна проводимост.
Когато силицийът се нагрява, кинетичната енергия на частиците се увеличава и
отделните връзки са прекъснати. Някои електрони напускат своите орбити и стават свободни, като електрони в метал. В електрическо поле те се движат между възлите на решетката, образувайки електрически ток.
Проводимост на полупроводниците поради наличието на свободни метали
електрони електрони се нарича електронна проводимост. С повишаването на температурата броят на скъсаните връзки и следователно на свободните електрони се увеличава. При нагряване от 300 до 700 K броят на свободните носители на заряд нараства от 10,17 на 10,24 1/m.3. Това води до намаляване на съпротивлението.
Проводимост на дупки.
Когато връзката се скъса, се създава празна позиция от липсващия електрон.
Нарича се дупка. Дупката има излишен положителен заряд в сравнение с други нормални връзки. Позицията на отвора в кристала не е постоянна. Следният процес протича непрекъснато. един
от електроните, които осигуряват връзката на атомите, скача до мястото на обмен
образувани дупки и възстановява двойката-електронна връзка тук.
и където този електрон е скочил, се образува нова дупка. Така
Така дупката може да се движи из целия кристал.
Ако силата на електрическото поле в пробата е нула, тогава движението на дупките, еквивалентно на движението на положителните заряди, се случва произволно и следователно не създава електрически ток. При наличие на електрическо поле възниква подредено движение на дупки и по този начин електрически токсвободни електрони се добавя електрически ток, свързан с движението на дупките. Посоката на движение на дупките е противоположна на посоката на движение на електроните.
И така, в полупроводниците има два вида носители на заряд: електрони и дупки. Следователно полупроводниците имат не само електронна, но и дупкова проводимост. Проводимостта при тези условия се нарича присъща проводимост на полупроводниците. Вътрешната проводимост на полупроводниците обикновено е ниска, тъй като броят на свободните електрони е малък, например в германий при стайна температура ne = 3 на 10 в 23 cm в –3. В същото време броят на германиеви атоми в 1 кубичен см е около 10 на 23. По този начин броят на свободните електрони е приблизително една десетмилиардна от общия брой атоми.
Съществена характеристика на полупроводниците е, че те
в присъствието на примеси, заедно с присъщата проводимост,
допълнителна - примесна проводимост. Промяна на концентрацията
примеси, можете значително да промените броя на носителите на заряд
или друг знак. Благодарение на това е възможно да се създават полупроводници с
преобладаващата концентрация е отрицателна или положителна
силно заредени носители. Тази характеристика на полупроводниците е открита
предоставя широки възможности за практическо приложение.
Донорни примеси.
Оказва се, че в присъствието на примеси, например атоми арсен, дори при много ниски концентрации, броят на свободните електрони се увеличава в
много пъти. Това се случва по следната причина. Атомите на арсена имат пет валентни електрона, четири от които участват в създаването на ковалентна връзка между този атом и околните атоми, например със силициеви атоми.Петият валентен електрон е слабо свързан с атома. Той лесно напуска атома на арсена и става свободен. Концентрацията на свободни електрони нараства значително и става хиляда пъти по-голяма от концентрацията на свободни електрони в чист полупроводник. Примесите, които лесно отдават електрони, се наричат донорни примеси и такива полупроводници са полупроводници от n-тип. В n-тип полупроводник електроните са основните носители на заряд, а дупките са малцинствените носители на заряд.
Акцепторни примеси.
Ако индий, чиито атоми са тривалентни, се използва като примес, тогава естеството на проводимостта на полупроводника се променя. Сега, за образуването на нормални двойки-електронни връзки със съседите, атомът на индия не го прави
получава електрон. В резултат на това се образува дупка. Брой дупки в кристала
tale е равен на броя на примесните атоми. Този вид нечистотии
се наричат акцепторни (приемащи). При наличие на електрическо поле
дупките се смесват в полето и възниква проводимост на дупките. от-
полупроводници с преобладаваща дупкова проводимост над електроните
Наричат се полупроводници от p-тип (от думата positiv - положителен).
2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)
Има две основни полупроводникови устройства: диод и транзистор.
/>Понастоящем полупроводниковите диоди се използват все повече за коригиране на електрически ток в радиовериги, заедно с двуелектродни лампи, тъй като те имат редица предимства. Във вакуумна тръба електроните на носителите на заряд се генерират чрез нагряване на катода. В p-n преход носителите на заряд се образуват, когато в кристала се въведе акцепторно или донорно примес.Така че няма нужда от източник на енергия за получаване на носители на заряд. В сложни вериги спестяванията на енергия в резултат на това се оказват много значителни. В допълнение, полупроводниковите токоизправители със същите стойности на коригирания ток са по-миниатюрни от тръбните токоизправители.
/> Полупроводниковите диоди са направени от германий и силиций. селен и други вещества. Нека разгледаме как се създава p-n преход при използване на дънен примес; този преход не може да бъде получен чрез механично свързване на два полупроводника от различни типове, т.к. това води до твърде голяма междина между полупроводниците и полупроводниците.Тази дебелина не трябва да е по-голяма от междуатомните разстояния. Следователно индият се разтопява в една от повърхностите на пробата. Поради дифузията на индиеви атоми дълбоко в монокристала на германий, на повърхността на германия се трансформира област с проводимост от p-тип. Останалата част от германиевата проба, в която не са проникнали индиеви атоми, все още има n-тип проводимост. Между регионите възниква p-n преход. В полупроводника диодегерманият служи като катод, а индият служи като анод. Фигура 1 показва директното (b) и обратното (c) свързване на диода.
Характеристиката ток-напрежение за директни и обратни връзки е показана на фигура 2.
Те замениха лампите и се използват много широко в техниката, главно за токоизправители; диодите също намериха приложение в различни устройства.
Транзистор.
/> Нека разгледаме един тип транзистор, направен от германий или силиций с въведени в тях донорни и акцепторни примеси. Разпределението на примесите е такова, че се създава много тънък (от порядъка на няколко микрометра) слой от n-тип полупроводник между два слоя от p-тип полупроводник. 3.Този тънък слой се нарича основа или основа.В кристала се образуват два p-n прехода,чиито преки посоки са противоположни. Три терминала от области с различни видове проводимост ви позволяват да свържете транзистора към веригата, показана на фигура 3. С тази връзка
Левият pn преход е директен и отделя основата от областта с p-тип проводимост, наречена емитер. Ако нямаше десен p–n преход, щеше да има ток във веригата емитер-база, в зависимост от напрежението на източниците (батерия B1 и източникът на променливо напрежение).
съпротивление) и съпротивление на веригата, включително ниско директно съпротивление
/>преход емитер-база. Батерията B2 е свързана така, че десният pn преход във веригата (вижте Фиг. 3) да е обратен. Той разделя основата от дясната област с p-тип проводимост, наречена колектор. Ако нямаше ляв pn преход, силата на тока на колекторната верига би била близка до нула, тъй като съпротивлението на обратния преход е много високо. Когато има ток в левия p-n преход, в колекторната верига се появява ток и силата на тока в колектора е само малко по-малка от силата на тока в емитера.Когато се създаде напрежение между емитера и основата, основните носители на p-тип полупроводник - дупките проникват в основата, където вече са основните носители носители. Тъй като дебелината на основата е много малка и броят на основните носители (електрони) в нея е малък, дупките, които попадат в нея, почти не се комбинират (не се рекомбинират) с електроните на основата и проникват в колектора поради до дифузия. Десният pn преход е затворен за основните носители на заряд на основата - електрони, но не и за дупки. Дупките в колектора се отнасят от електрическото поле и завършват веригата. Силата на тока, разклоняваща се в емитерната верига от основата, е много малка, тъй като площта на напречното сечение на основата в хоризонталната (виж фиг. 3) равнина е много по-малка от напречното сечение във вертикалната равнина . Силата на тока в колектора е почти равно на силаток в емитера, се променя с тока в емитера. Съпротивлението на резистора R /> има малък ефект върху тока в колектора и това съпротивление може да бъде доста голямо. Чрез контролиране на емитерния ток с помощта на източник на променливо напрежение, свързан към неговата верига, получаваме синхронна промяна в напрежението през резистора. Ако съпротивлението на резистора е голямо, промяната в напрежението върху него може да бъде десетки хиляди пъти по-голяма от промяната в сигнала в емитерната верига.Това означава увеличение на напрежението. Следователно, използвайки товар R, е възможно да се получат електрически сигнали, чиято мощност е многократно по-голяма от мощността, подадена към емитерната верига.Те заместват вакуумните тръби и се използват широко в техниката.
3. Видове полупроводникови устройства.
/>В допълнение към планарните диоди (фиг. 8) и транзисторите има и точкови диоди (фиг. 4). Транзисторите точка-точка (вижте фигурата за структура) се формоват преди употреба, т.е. Те пропускат ток с определена величина, в резултат на което под върха на жицата се образува зона с дупкова проводимост. Транзисторите идват в pnp и n-p-n видове. Обозначението и общото е показано на фигура 5.
Има фото- и термистори и варистори, както е показано на фигурата. Планарните диоди включват селенови токоизправители , Основата на такъв диод е стоманена шайба, покрита от едната страна със слой селен, който е полупроводник с проводимост на дупки (виж фиг. 7). Повърхността на селена е покрита с кадмиева сплав, в резултат на което се образува филм с електронна проводимост, в резултат на което се образува токоизправителен преход. по-голяма площ, толкова по-голям е изправеният ток.
4. Производство
/>Технологията на производство на диодата е подобна. Парче индий се разтопява върху повърхността на квадратна плоча с площ 2-4 cm2 и дебелина няколко фракции от милиметър, изрязана от полупроводников кристал с електронна проводимост. Индият е силно легиран от плочата.В този случай индиевите атоми проникват (дифундират) в дебелината на плочата, образувайки в нея област с преобладаваща дупкова проводимост (фиг.6) Получава се полупроводниково устройство с две области различни видовепроводимост, а между тях е p-n преход. Колкото по-тънка е полупроводниковата пластина. колкото по-ниско е съпротивлението на диода в посока напред, толкова по-голям е токът, коригиран от диода. Диодните контакти са капка индий и метален диск или пръчка с оловни проводници
След сглобяването на транзистора, той се монтира в корпуса и се свързва електрическата връзка. проводниците към контактните плочи на кристала и тялото запечатват тялото.
5. Обхват на приложение
/> Диодите са много надеждни, но границата на тяхното използване е от –70 до 125 C. Т.к. Точковият диод има много малка контактна площ, така че токовете, които могат да доставят такива диоди, са не повече от 10-15 mA. И те се използват главно за модулиране на високочестотни трептения и за измервателни уреди. За всеки диод има определени максимално допустими граници на прав и обратен ток, в зависимост от предното и обратното напрежение и определящи неговите коригиращи и якостни характеристики.
Транзисторите, подобно на диодите, са чувствителни към температура и претоварване, както и към проникваща радиация. Транзисторите, за разлика от радиолампи, изгарят поради неправилно свързване.
Полупроводников диоднаречен електронен елемент без усилване на сигнала с един преход електрон-дупка и два извода от анода и катода.
Диодите се използват в електронни схемиза преобразуване на параметрите на електрическите сигнали (коригиране, стабилизиране). Диодите се различават по дизайн ( точка, плоскост) и от символна диаграмите (в зависимост от функционалната цел).
Принцип на работадиод го илюстрира волт-амперни характеристики,тези. зависимост на тока от приложеното напрежение, (фиг. 1), от която става ясно, че диодът има еднопосочна проводимост(пропуска ток в права посока и практически не го пропуска в обратна посока).
Диодът е свързан в посока напред, когато положителният полюс на източника на ток е свързан към анода А, а отрицателният полюс на източника на ток е свързан към катода К. Това съответства на характерното разклонение в първи квадрант. През диода преминава голям ток напред.
Когато е свързан към обратенпосока (плюс - към катода, минус - към анода), обратният ток I OBR, преминаващ през диода, е много малък (mkA).
В този случай постоянният ток, както се вижда от фиг. 1, зависи значително от температурасреда (увеличава се с повишаване на температурата).
Ориз. 1. Токова характеристика на диода.
Характеристики на диод:
В допълнение към разглеждания ток-напрежение, основните характеристики на диода включват:
Максимален ток напред аз ДР ;
Температурна устойчивост T 0 макс ;
Максимално обратно напрежение U КП .
DC съпротивление Р 0 = U ДР / аз ДР ;
AC съпротивление Р аз = Δ U ДР / Δ аз ДР ;
Наклон на характеристиката ток-напрежение С = Δ аз ДР / Δ U ДР ;
Загуба на мощност на анода П А = U ДР аз ДР ;
Област на използване на диоди: AC коригиране; стабилизиране на напрежението; работа във фотоволтаични устройства; работа в микровълнови схеми и др.
Транзистори
Транзистори –полупроводникови устройства с две р-ппозволяващи преходи подобрявамелектрически сигнал и обикновено има три терминала. Разделени на две групи - биполярни и еднополюсни(поле). Основни схеми за свързване на биполярен транзистор - с обща база, с общ емитер и с общ колектор. Видът на превключващата верига определя с какъв параметър транзисторът усилва сигнала (напрежение, ток и т.н.).
Биполярен транзисторе полупроводниково устройство с трислойна структура с редуващи се видове проводимост и две р-ппреходи, позволяващи усилване на електрически сигнали и разполагащи с три изхода. Разграничете директен (p-n-p) и обратен (n-p-n)транзистори, разликата между които е полярностсвързване на захранвания.
Компонентите на транзистора съответстват на неговите слоеве и се наричат: излъчвател– излъчвател на заряд, база– база и колектор– събирач на заряди. Слоевете имат
различна проводимост: екстремна (емитер и колектор) - дупкастр, а основата, разположена между тях, е електроненн(фиг. 2).
Базов колектор на емитер
азъъъ азДа се
ВходИзход
Ориз. 2. Биполярно стр- н- стртранзистор, свързан съгласно схема с обща база
Нека разгледаме принципа на работа на транзистора. Както може да се види на фиг. 2, транзисторът има две кръстовища: стр- нИ н- стр. Първи преход ( стр- н) включен в директенпосока, т.е. минус к н-области и плюс към Р– площи - към излъчвателя. Следователно през това кръстовище ще тече постоянен ток. Втори преход ( н- стр) включен в обратенпосока, т.е. плюс към основата ( н- площ), и минус до Р– площи - към колектора. Ако отворите емитерната (входна) верига, това кръстовище, разположено под обратенU Ккогато е включен, той ще бъде практически затворен.
Ако затворите емитерната верига (приложите входен сигнал), през първия (отворен) стр- нкръстовище, ще тече постоянен ток, образуван от инжектирането на отвори в основата. Тъй като дебелината на основата е малка, а полупроводниците, от които са направени емитерът и основата, са избрани с различни концентрации на основните носители, т.е. концентрацията на дупки в емитера е значително по-висока от концентрацията на електрони в основата, ще има толкова много дупки в основата, че само малка част от тях ще намерят в основата електроните, необходими за рекомбинация. Следователно входящите дупки, които не са се рекомбинирали с електрони, започват да се движат към тези области на основата, които са в съседство с колектора. Положителни дупки, приближаващи се до колекторния възел, изпитващи действието на силно ускоряващо поле от мощна колекторна батерия U К, преминават в колектора и се рекомбинират с електрони, идващи в колектора от отрицателния полюс на батерията. В резултат на това колекторният ток ще започне да тече през колекторния възел аз К, въпреки факта, че към кръстовището се прилага обратно напрежение. Този колекторен ток ще бъде 90 - 95% от емитерния ток (поради малкия брой рекомбиниращи дупки, останали в основата). Но най-важното е, че големината на колекторния ток ще зависи от големината на емитерния ток и ще се променя пропорционално на неговата промяна. Наистина, колкото по-голям е токът през емитерния преход, т.е. колкото повече дупки инжектира емитерът в основата, толкова по-голям е колекторният ток, който зависи от броя на тези дупки. Това води до един практически важен извод:
Чрез контролиране на емитерния ток на транзистора можете по този начин да контролирате тока на колектора и в този случай се получава ефект на усилване.
Това свойство определи областта на използване на транзисторите в усилвателните вериги. Така например ще даде разглежданата схема за свързване на транзистор с обща база напрежение и усилване на мощносттавходен сигнал, тъй като изходното съпротивление на натоварване Рнс подходящ избор на напрежение на батерията UДа семоже да бъде значително по-голямо от съпротивлението на входа на усилвателя, т.е. Р з >> Р VX, и входа (емитер аз д) и изход (колектор аз ДА СЕ) токовете са приблизително равни. Оттук и напрежението и мощността, подадени на входа U VX = аз VX * Р VX ; Пвход= аз 2 вход * Рвходпо-малко от съответните стойности на напрежението и мощността на изхода, т.е. в товара U = аз ДА СЕ * Р н ; Пн = аз К 2 * Рн. В този случай няма текуща печалба (тъй като аз д ~ = аз ДА СЕ).
По-често обаче се използва друга транзисторна схема за свързване - обща емитерна верига,при което освен усилване на мощността има и усилване на тока.Схема на свързване с общ колекторизползва се при работа с товар с ниско съпротивление или от сензор с високо съпротивление. Печалбата на такава верига по отношение на тока и мощността е няколко десетки единици, а по отношение на напрежението - около една.
За да разберете правилно принципа на работа на схеми, използващи транзистори, е необходимо да имате добро разбиране на характеристиките на работата на транзистора като усилвател, които са както следва: за разлика от вакуумната тръба, транзисторът има ниско входно съпротивление в повечето превключващи вериги, в резултат на което се смята, че транзисторът се управлява от входния ток, а не от входния ток напрежение; ниското входно съпротивление на транзисторните усилватели води до забележимо потребление на мощност (ток) от източника на усилени трептения, следователно в тези усилватели основното значение не е усилването на напрежението, а усилването на тока или мощността; усилване на мощността k се определя от съотношението на мощността, разпределена на изхода на усилвателя в полезния товар, към мощността, изразходвана при входния импеданс на усилвателя; Параметрите и характеристиките на транзистора са силно зависими от температурата и избрания режим, което е недостатък.
Характеристики на транзистора:
Входни, изходни и преходни характеристики, фиг. 3,
Ориз. 3. Характеристики на транзистора: a – вход, b – изход, c – преход
Усилване (предаване) в общ изглед, по напрежение, ток, мощност
k=ΔΧ OUT /ΔΧ IN;ΔU OUT /ΔU IN;ΔI OUT /ΔI IN;ΔP OUT /ΔP IN.
AC входен импеданс на транзистора
R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.
Загуба на мощност на колектора
P K = U K * I K .
Предимства на транзисторите:малки размери, висока чувствителност, безинерционни; издръжливост; недостатъци: значително влияние на външни фактори (температура, е/м полета, радиоактивно излъчване и др.).
Област на използванетранзистори: жични и радио комуникации; телевизор; радар; радио навигация; автоматика и телемеханика; Компютърно инженерство; измервателна техника; усилвателни схеми; чипове памет за цифрови устройства и др.
