Poluvodička dioda je uređaj s dva izlaza i jednim spojem elektron-rupa
Poluvodičke diode koriste se u radioelektronici, automatizaciji i računalnim uređajima te u tehnologiji pretvarača energije. Diode velike snage koriste se u elektranama za napajanje vučnih motora, pogon alatnih strojeva i mehanizama
Poluvodičke diode imaju niz prednosti u usporedbi s elektronskim cijevima: mala veličina, mala težina, visoka učinkovitost, nedostatak izvora elektrona sa žarnom niti, dug radni vijek, visoka pouzdanost.
Važno svojstvo poluvodičkih dioda - jednosmjerna vodljivost - široko se koristi u uređajima za ispravljanje, ograničavanje i pretvaranje električnih signala.
Diode se klasificiraju prema namjeni, fizička svojstva, osnovni električni parametri, konstrukcijske i tehnološke značajke (točkaste i planarne), početni materijal poluvodiča.
Po funkcionalnoj namjeni razlikuju se poluvodičke diode: ispravljačke, pulsne, zener diode (referentne), fotodiode, svjetleće diode.
1. ispravljači namijenjeni pretvaranju izmjenične struje u istosmjernu i korištenje vlasništvo rn prijelaz, kao i drugi električni prijelazi, dobro provode struju u jednom, a slabo u suprotnom smjeru. Ove struje i odgovarajući naponi nazivaju se strujama i naponima naprijed i nazad. Postoje nisko i visokofrekventne ispravljačke diode. Prvi se koriste u uređajima za pretvaranje energetske elektronike, drugi - za pretvaranje radio signala
2. impulsni su namijenjeni za primarni rad u pulsnim uređajima. Njihova svojstva određena su parametrima koji uzimaju u obzir inerciju sklopke diode: kapacitet spoja, vremenski interval oporavka reverznog otpora
3. Zener diode dizajnirane su za stabilizaciju istosmjernog napona i ograničavanje prenapona. Ove diode koriste fenomen nerazorne elektrike slom rn prijelaz pri određenim vrijednostima reverznog napona. Važan parametar je temperaturni koeficijent stabilizacija napona.
Označavanje se temelji na alfanumeričkom kodu
Prvo slovo ili broj označava materijal poluvodičkog kristala: 1 ili G – germanij; 2 – K – silicij; 3-A – galijev arsenid
Drugo slovo označava klasu dioda: D - ispravljač, Ai - mikrovalne diode, B - varikap, C - zener dioda, I - tunelska dioda;
Sljedeće 3 znamenke karakteriziraju vrstu ili opseg primjene 101-399 - AC ispravljanje, 401-499 - rad u visokofrekventnim ili ultrafrekventnim krugovima, 501-599 - pulsni sustavi
Posljednja znamenka označava dizajn ili druge značajke diode
Tranzistori su aktivni poluvodički elementi s dva međusobno povezana okružni prijelazi i tri terminala, koji se koriste za pojačavanje i generiranje električnih oscilacija. (u komunikacijama, televiziji, radaru, radionavigaciji, automatizaciji, telemehanici, računalnoj i mjernoj tehnici.)
Tranzistor ima troslojnu strukturu koja se sastoji od izmjeničnih područja različitih tipova električna vodljivost r-n-r ili n-r-n princip djelovanje tranzistora temelji se na upotrebi fizički procesi, koji se javlja tijekom prijenosa glavnog električni naboji od emiterskog područja do kolektorskog područja (ekstremne zone) kroz bazu (srednja zona). Svrha emiterskog spoja je ubrizgavanje (injektiranje) glavnih nositelja emitera u područje baze
Postoje 4 načina rada tranzistora:
Aktivan (spoj emiter-baza je spojen u smjeru naprijed, a spoj kolektor-baza je u obrnutom smjeru)
Inverzno (spoj emiter-baza uključen u obrnuti smjer a prijelaz kolektor-baza je izravan)
Cutoff mod - oba prijelaza su omogućena u obrnutom smjeru
Način zasićenja - oba prijelaza su omogućena u smjeru prema naprijed
Nedostatak tranzistora je relativno velika nestabilnost njihovih parametara i karakteristika. Uzroci nestabilnosti: utjecaj temperature okoliš, promjene u parametrima tijekom starenja tijekom vremena, varijacije u parametrima tijekom procesa proizvodnje sličnih tranzistora.
Tranzistori se klasificiraju prema materijalu, načinu kretanja manjinskih nositelja u području baze, snazi i frekvenciji, namjeni i načinu proizvodnje
Nagli razvoj i širenje područja primjene elektroničkih uređaja posljedica je poboljšanja elementne baze čija je osnova poluvodički uređaji. Stoga je za razumijevanje funkcioniranja elektroničkih uređaja potrebno poznavati strukturu i princip rada glavnih tipova poluvodičkih uređaja.
Tranzistori
Tranzistor je poluvodički uređaj dizajniran za pojačavanje, generiranje i pretvaranje električnih signala, kao i za prebacivanje električni krugovi.
Posebnost tranzistora je sposobnost pojačavanja napona i struje - naponi i struje koji djeluju na ulazu tranzistora dovode do pojave znatno viših napona i struja na njegovom izlazu.
Širenjem digitalne elektronike i impulsnih sklopova, glavno svojstvo tranzistora je njegova sposobnost da bude u otvorenom i zatvorenom stanju pod utjecajem upravljačkog signala.
Tranzistor je dobio ime po kratici dva engleske riječi tran(sfer) (re)sistor - kontrolirani otpornik. Ovaj naziv nije slučajan, budući da se pod utjecajem ulaznog napona koji se primjenjuje na tranzistor otpor između njegovih izlaznih priključaka može podesiti u vrlo širokom rasponu.
Tranzistor vam omogućuje regulaciju struje u krugu od nule do maksimalna vrijednost.
Klasifikacija tranzistora:
Na temelju principa rada: polje (unipolarno), bipolarno, kombinirano.
Prema vrijednosti disipacije snage: niska, srednja i visoka.
Prema graničnoj vrijednosti frekvencije: niske, srednje, visoke i ultravisoke frekvencije.
Prema radnom naponu: niski i visoki napon.
Po funkcionalnoj namjeni: univerzalni, pojačalo, ključ itd.
Po dizajnu: bez okvira i pakiranja, s krutim i fleksibilnim vodovima.
Ovisno o izvršenim funkcijama, tranzistori mogu raditi u tri načina:
1) Aktivni način rada - koristi se za pojačavanje električnih signala u analognim uređajima. Otpor tranzistora mijenja se od nule do maksimalne vrijednosti - kažu da se tranzistor "blago otvara" ili "blago zatvara".
2) Način zasićenja - otpor tranzistora teži nuli. U ovom slučaju, tranzistor je ekvivalentan zatvorenom kontaktu releja.
3) Režim prekida - tranzistor je zatvoren i ima veliki otpor, tj. to je ekvivalentno otvorenom kontaktu releja.
Načini zasićenja i prekida koriste se u digitalnim, pulsnim i sklopnim krugovima.
Bipolarni tranzistor je poluvodički uređaj s dva p-n spoja i tri priključka koji omogućuje pojačanje snage električnih signala.
U bipolarnim tranzistorima struja je uzrokovana kretanjem nositelja naboja dvije vrste: elektrona i rupa, što određuje njihov naziv.
Na dijagramima se tranzistori mogu prikazati u krugu i bez njega (slika 3). Strelica pokazuje smjer toka struje u tranzistoru.
Slika 3 - Uobičajene grafičke oznake tranzistora n-p-n (a) i p-n-p (b)
Osnova tranzistora je poluvodička pločica u kojoj su oblikovana tri dijela s izmjeničnim vrstama vodljivosti - elektronička i rupa. Ovisno o izmjeni slojeva, razlikuju se dvije vrste strukture tranzistora: n-p-n (slika 3, a) i p-n-p (slika 3, b).
Emiter (E) - sloj koji je izvor nositelja naboja (elektrona ili šupljina) i stvara struju uređaja;
Kolektor (K) – sloj koji prima nositelje naboja koji dolaze iz emitera;
Baza (B) - srednji sloj koji kontrolira struju tranzistora.
Kada je tranzistor spojen na električni krug, jedna od njegovih elektroda je ulaz (izvor ulaznog izmjeničnog signala je uključen), druga je izlaz (opterećenje je uključeno), a treća elektroda je zajednička s obzirom na ulaz i izlaz. U većini slučajeva koristi se zajednički emiterski krug (slika 4). Na bazu se dovodi napon ne veći od 1 V, a na kolektor više od 1 V, na primjer +5 V, +12 V, +24 V itd.
Slika 4 – Spojni krugovi za bipolarni tranzistor sa zajedničkim emiterom
Kolektorska struja se javlja samo kada teče bazna struja Ib (određena s Ube). Što je više Ib, to je više Ik. Ib se mjeri u jedinicama mA, a kolektorska struja se mjeri u desecima i stotinama mA, t.j. IbIk. Stoga, kada se na bazu dovodi izmjenični signal male amplitude, mali Ib će se promijeniti, a veliki Ik proporcionalno tome. Kada se na kolektorski krug spoji otpornik opterećenja, na njemu će se emitirati signal koji ponavlja oblik ulaza, ali s većom amplitudom, tj. pojačani signal.
U najveće dopuštene parametre tranzistora prvenstveno spadaju: najveća dopuštena snaga rasipanja na kolektoru Pk.max, napon između kolektora i emitera Uke.max, struja kolektora Ik.max.
Za povećanje maksimalnih parametara proizvode se tranzistorski sklopovi koji mogu brojati do nekoliko stotina paralelno spojenih tranzistora zatvorenih u jednom kućištu.
Bipolarni tranzistori danas se koriste sve manje, posebno u tehnologiji sklopne struje. Njihovo mjesto je zauzeto MOSFET tranzistori s efektom polja i kombinirani IGBT tranzistori, koji imaju nedvojbene prednosti u ovom području elektronike.
U tranzistorima s efektom polja struja je određena kretanjem nositelja samo jednog predznaka (elektrona ili šupljina). Za razliku od bipolarnih, struja tranzistora je kontrolirana električno polje, koji mijenja presjek provodnog kanala.
Budući da u ulaznom krugu nema struje, potrošnja energije iz ovog kruga je praktički jednaka nuli, što je nedvojbena prednost tranzistora s efektom polja.
Strukturno, tranzistor se sastoji od provodnog kanala n- ili p-tipa, na čijim se krajevima nalaze područja: izvor koji emitira nositelje naboja i odvod koji prima nositelje naboja. Elektroda koja služi za regulaciju poprečnog presjeka kanala naziva se vrata.
Tranzistor s efektom polja je poluvodički uređaj koji regulira struju u strujnom krugu promjenom presjeka vodljivog kanala.
Postoje tranzistori s efektom polja s ulazom p-n obrazac prijelaz i s izoliranim vratima.
Tranzistori s efektom polja s izoliranim vratima imaju izolacijski sloj dielektrika između poluvodičkog kanala i metalnih vrata - MOS tranzistori (metal - dielektrik - poluvodič), poseban slučaj - silicijev oksid - MOS tranzistori.
MOS tranzistor s ugrađenim kanalom ima početnu vodljivost, koja je u nedostatku ulaznog signala (Uzi = 0) približno polovica maksimalne. U MOS tranzistorima s induciranim kanalom, pri naponu Uzi = 0, nema izlazne struje, Ic = 0, jer inicijalno nema provodnog kanala.
MOS tranzistori s induciranim kanalom nazivaju se i MOSFET tranzistori. Uglavnom se koriste kao ključni elementi, na primjer u sklopnim izvorima napajanja.
Ključni elementi na MOS tranzistorima imaju brojne prednosti: signalni krug nije galvanski povezan s izvorom upravljačkog djelovanja, upravljački krug ne troši struju i ima dvosmjernu vodljivost. Tranzistori s efektom polja, za razliku od bipolarnih tranzistora, ne boje se pregrijavanja.
Više o tranzistorima pročitajte ovdje:
Tiristori
Tiristor je poluvodički uređaj koji radi u dva stabilna stanja - niske vodljivosti (tiristor zatvoren) i visoke vodljivosti (tiristor otvoren). Strukturno, tiristor ima tri ili više p-n spojeva i tri izlaza.
Osim anode i katode, dizajn tiristora ima treći terminal (elektrodu), koji se naziva kontrolni terminal.
Tiristor je namijenjen za beskontaktno uključivanje (uključivanje i isključivanje) električnih krugova. Karakterizira ih velika brzina i sposobnost prebacivanja struja vrlo značajne veličine (do 1000 A). Postupno ih zamjenjuju sklopni tranzistori.
Slika 5 - Konvencionalna grafička oznaka tiristora
Dinistori (dvije elektrode)- kao i obične ispravljačke diode, imaju anodu i katodu. S povećanjem prednjeg napona na određenoj vrijednosti Ua = Uon, dinistor se otvara.
Tiristori (tiristori - troelektrodni)- imaju dodatnu kontrolnu elektrodu; Uon se mijenja kontrolnom strujom koja teče kroz kontrolnu elektrodu.
Da bi se tiristor prebacio u zatvoreno stanje, potrebno je primijeniti obrnuti napon (- na anodu, + na katodu) ili smanjiti prednju struju ispod vrijednosti koja se naziva struja zadržavanja Ihold.
Tiristor koji se može zaključati– može se prebaciti u zatvoreno stanje primjenom upravljačkog impulsa obrnutog polariteta.
Tiristori: princip rada, dizajn, vrste i metode uključivanja
Trijaci (simetrični tiristori)- provode struju u oba smjera.
Tiristori se koriste kao beskontaktne sklopke i upravljani ispravljači u uređajima za automatizaciju i pretvaračima električne struje. U krugovima izmjenične i pulsne struje možete promijeniti vrijeme otvaranja tiristora, a time i vrijeme prolaska struje kroz opterećenje. To vam omogućuje reguliranje snage koja se isporučuje opterećenju.
Jednosmjerno provođenje kontakata između dva poluvodiča (ili metala na poluvodič) koristi se za ispravljanje i pretvaranje izmjeničnih struja. Ako postoji jedan prijelaz elektron-šupljina, tada je njegovo djelovanje slično djelovanju svjetiljke s dvije elektrode - diode (vidi § 105). Prema tome, poluvodički uređaj koji sadrži jednu r-n-tranzicija se zove poluvodič (kristalan) dioda. Poluvodičke diode prema izvedbi dijelimo na točka I ravninski.
Riža. 339 Sl. 340
Kao primjer, razmotrite točkastu germanijsku diodu (sl. 339), u kojoj je tanka volframova žica 1 pritisnuta na n- germanij 2 s vrhom obloženim aluminijem. Ako se kratkotrajni strujni impuls propusti kroz diodu u smjeru naprijed, tada se difuzija A1 u Ge naglo povećava i formira se sloj germanija, obogaćen aluminijem i koji ima R- vodljivost. Na granici ovog sloja a r-n-prijelaz imajući visok koeficijent ravnanje. Zbog malog kapaciteta kontaktnog sloja točkaste diode koriste se kao detektori (ispravljači) visokofrekventnih oscilacija do centimetarskog područja valnih duljina.
Shematski dijagram planarnog bakreno-oksidnog (cuproxy) ispravljača prikazan je na sl. 340. Kemijskom obradom se na bakrenu ploču nanosi sloj bakrenog oksida Cu 2 O koji je prekriven slojem srebra. Srebrna elektroda služi samo za spajanje ispravljača na strujni krug. Dio sloja Cu 2 O uz Cu i obogaćen njime ima elektronsku vodljivost, a dio sloja Cu 2 O uz Ag i obogaćen (tijekom proizvodnje ispravljača) kisikom ima vodljivost rupa. Tako se u debljini bakrenog oksida formira barijerni sloj sa smjerom protoka struje od Cu 2 O do Cu ().
Tehnologija proizvodnje germanijeve planarne diode opisana je u § 249 (vidi sl. 325). Česte su i selenske diode i diode na bazi galijevog arsenida i silicijevog karbida. Razmatrane diode imaju niz prednosti u usporedbi s elektronskim cijevima (male ukupne dimenzije, visoka učinkovitost i vijek trajanja, stalna spremnost za rad itd.), ali su vrlo osjetljive na temperaturu, pa je raspon njihovih radnih temperatura ograničen ( od –70 do +120°C). p-n- Prijelazi ne samo da imaju izvrsna svojstva ispravljanja, već se mogu koristiti i za pojačanje, a ako se u strujni krug uvede povratna sprega, onda i za generiranje električnih oscilacija. Uređaji namijenjeni za te svrhe nazivaju se poluvodičke triode ili tranzistori(prvi tranzistor stvorili su 1949. američki fizičari D. Bardeen, W. Brattain i W. Shockley; Nobelova nagrada 1956).
Za izradu tranzistora koriste se germanij i silicij koji se odlikuju velikom mehaničkom čvrstoćom, kemijskom postojanošću i većom pokretljivošću nositelja struje nego kod drugih poluvodiča. Poluvodičke triode dijelimo na točka I ravninski. Prvi značajno povećavaju napon, ali njihove izlazne snage su niske zbog opasnosti od pregrijavanja (na primjer, gornja granica radne temperature točkaste germanijeve triode leži u rasponu od 50 - 80 ° C). Planarne triode su jače. Možda su kao p-p-p i tip p-p-p ovisno o izmjeni područja s različitom vodljivošću.
Na primjer, razmotrite princip rada planarne triode p-p-p, tj. na bazi trioda n-poluvodič (sl. 341). Radne "elektrode" triode, koje su baza(srednji dio tranzistora), odašiljač I kolektor(područja uz bazu s obje strane s različitom vrstom vodljivosti) uključena su u krug pomoću neispravljačkih kontakata - metalnih vodiča. Između emitera i baze primjenjuje se konstantan prednapon prednapona, a između baze i kolektora konstantan prednapon prednapona. Pojačani izmjenični napon primjenjuje se na ulazni otpor, a pojačani se uklanja s izlaznog otpora
Protok struje u krugu emitera uglavnom je posljedica kretanja rupa (oni su glavni nositelji struje) i popraćen je njihovim "injektiranjem" - ubrizgavanje- na područje baze. Rupe koje prodiru u podlogu difundiraju prema kolektoru, a uz malu debljinu podloge znatan dio ubrizganih rupa dospijeva u kolektor. Ovdje su rupe zarobljene poljem koje djeluje unutar spoja (privučene negativno nabijenom kolektoru) i mijenjaju struju kolektora. Posljedično, svaka promjena struje u krugu emitera uzrokuje promjenu struje u krugu kolektora.
Dovođenjem izmjeničnog napona između emitera i baze dobivamo izmjeničnu struju u kolektorskom krugu, te izmjenični napon na izlaznom otporu. Količina dobitka ovisi o svojstvima p-n- prijelazi, otpori opterećenja i napon baterije Bk. Obično >>, dakle znatno veći od ulaznog napona (pojačanje može doseći 10 000). Budući da oslobođena izmjenična struja može biti veća od one potrošene u krugu emitera, tranzistor također osigurava pojačanje snage. Ova pojačana snaga dolazi iz izvora struje spojenog na kolektorski krug.
Iz onoga što je raspravljeno slijedi da tranzistor, poput vakuumske cijevi, daje pojačanje i napona i snage. Ako je u svjetiljci anodna struja kontrolirana naponom mreže, tada je u tranzistoru kolektorska struja koja odgovara anodnoj struji žarulje kontrolirana naponom baze.
Princip rada tranzistora p-p-p-tip je sličan onome koji je gore razmotren, ali ulogu rupa igraju elektroni. Postoje i druge vrste tranzistora, kao i drugi sklopovi za njihovo spajanje. Zbog svojih prednosti u odnosu na vakuumske cijevi (male dimenzije, visoka učinkovitost i vijek trajanja, nepostojanje užarene katode i time manja potrošnja energije, nepotreban vakuum itd.), tranzistor je napravio revoluciju u području elektroničkih komunikacija i osigurao stvaranje brzih računala s velikom količinom memorije.
- Što je bit adijabatske aproksimacije i aproksimacije samokonzistentnog polja?
- Kako se razlikuju energetska stanja elektrona u izoliranom atomu i kristalu? Što su zabranjene, a što dopuštene energetske zone?
- Kako se poluvodiči i dielektrici razlikuju prema teoriji vrpci? metali i dielektrici?
- Kada se prema teoriji bendova čvrsta je li vodič električne struje?
- Kako objasniti porast vodljivosti poluvodiča s porastom temperature?
- Što određuje vodljivost intrinzičnih poluvodiča?
- Zašto je Fermijeva razina u intrinzičnom poluvodiču smještena u sredini zabranjenog pojasa? Dokažite ovaj stav.
- Kakav je mehanizam vodljivosti elektroničkih primjesa u poluvodičima? vodljivost nečistoće u rupi?
- Zašto intrinzična vodljivost prevladava u poluvodičima s nečistoćama pri dovoljno visokim temperaturama?
- Koji je mehanizam intrinzične fotovodljivosti? nečistoća fotovodljivost? Koja je crvena granica fotovodljivosti?
- Prema teoriji trake, koji su mehanizmi fluorescencije i fosforescencije?
- Koji su razlozi za pojavu kontaktne razlike potencijala?
- Što je bit termoelektričnih pojava? Kako objasniti njihovu pojavu?
- Kada se blokirajući kontaktni sloj javlja kada metal dođe u kontakt s poluvodičem n-Kao? s poluvodičem R-Kao? Objasnite mehanizam njegovog nastanka.
- Kako objasniti jednosmjerno provođenje r-p-tranzicija?
- Što je strujno-naponska karakteristika p-n-tranzicija? Objasnite pojavu prednje i povratne struje.
- Koji smjer u poluvodičkoj diodi omogućuje protok struje?
- Zašto poluvodička dioda nosi struju (iako slabu) čak i pri graničnom naponu?
Zadaci
31.1. Uzorak germanija zagrijava se od 0 do 17°C. Uzimajući da je zabranjeni pojas silicija 0,72 eV, odredite koliko će se puta njegova specifična vodljivost povećati. [2,45 puta]
31.2. U čisti silicij uvodi se mala primjesa bora. Iskorištavati Periodni sustav elemenata D. I. Mendeleev, odrediti i objasniti vrstu vodljivosti nečistoće silicija.
31.3. Odredite valnu duljinu pri kojoj je još pobuđena fotovodljivost u nečistoćnom poluvodiču.
Pripremljeno
Učenica 10 "A" razreda
škola br.610
Ivčin Aleksej
Sažetak na temu:
“Poluvodičke diode i tranzistori, njihova područja primjene”
2. Osnovni poluvodički elementi (građa i primjena)
3.Vrste poluvodičkih elemenata
4.Proizvodnja
5. Područje primjene
1. Poluvodiči: teorija i svojstva
Najprije se trebate upoznati s mehanizmom vodljivosti u poluvodičima. A da biste to učinili, trebate razumjeti prirodu veza koje drže atome poluvodičkog kristala jedan blizu drugoga. Na primjer, razmotrite kristal silicija.
Silicij je četverovalentni element. To znači da u vanjskom
ljuska atoma ima četiri elektrona, relativno slabo vezana
sa jezgrom. Broj najbližih susjeda svakog atoma silicija također je jednak
četiri. Interakcija para susjednih atoma provodi se pomoću
paonoelektronička komunikacija, tzv kovalentna veza. U obrazovanju
Ova veza iz svakog atoma uključuje jednovalentni elektron, koji
koji su odcijepljeni od atoma (kolektivizirani kristalom) i kada
u svom kretanju većinu vremena provode u međuprostoru
susjednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicija jedan blizu drugoga. Svaki atom formira četiri veze sa svojim susjedima,
a bilo koji valentni elektron može se kretati duž jedne od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje po cijelom kristalu.
Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu Parnoelektronske veze silicija su dosta jake i ne mogu se prekinuti na niskim temperaturama. Stoga silicij ne provodi električnu struju pri niskim temperaturama. Valentni elektroni koji sudjeluju u vezivanju atoma čvrsto su vezani za kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema zamjetan učinak na njihovo kretanje.
Elektronska vodljivost.
Kada se silicij zagrijava, kinetička energija čestica se povećava, i
pojedinačne veze su prekinute. Neki elektroni napuštaju svoje orbite i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električnom polju, oni se kreću između čvorova rešetke, tvoreći električnu struju.
Vodljivost poluvodiča zbog prisutnosti slobodnih metala
elektroni elektroni naziva se elektronska vodljivost. S porastom temperature povećava se broj prekinutih veza, a time i slobodnih elektrona. Zagrijavanjem od 300 do 700 K povećava se broj slobodnih nositelja naboja od 10,17 do 10,24 1/m.3. To dovodi do smanjenja otpora.
Vodljivost rupa.
Kada se veza prekine, elektron koji nedostaje stvara praznu poziciju.
Zove se rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja u usporedbi s drugim, normalnim vezama. Položaj otvora u kristalu nije konstantan. Sljedeći proces se odvija kontinuirano. Jedan
s elektrona koji osiguravaju vezu atoma, skače na mjesto izmjene
stvorio rupe i ovdje uspostavlja par-elektronsku vezu.
i gdje je ovaj elektron iskočio, formira se nova rupa. Tako
Dakle, rupa se može kretati po kristalu.
Ako je jakost električnog polja u uzorku nula, tada se kretanje rupa, ekvivalentno kretanju pozitivnih naboja, događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. U prisutnosti električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa, i tako električna struja slobodnih elektrona, dodaje se električna struja povezana s kretanjem šupljina. Smjer kretanja šupljina je suprotan smjeru kretanja elektrona.
Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nositelja naboja: elektroni i šupljine. Stoga poluvodiči imaju ne samo elektronsku, već i šupljinu vodljivost. Vodljivost u tim uvjetima naziva se vlastita vodljivost poluvodiča. Vlastita vodljivost poluvodiča obično je niska, budući da je broj slobodnih elektrona mali, na primjer u germaniju pri sobnoj temperaturi ne = 3 na 10 u 23 cm u –3. U isto vrijeme, broj atoma germanija u 1 kubnom cm je oko 10 u 23. Dakle, broj slobodnih elektrona je otprilike jedan desetmilijarditi dio ukupnog broja atoma.
Bitna značajka poluvodiča je da oni
u prisutnosti nečistoća, zajedno s vlastitom vodljivošću,
dodatna - nečistoća vodljivost. Promjena koncentracije
nečistoća, možete značajno promijeniti broj nositelja naboja
ili drugi znak. Zahvaljujući tome, moguće je stvoriti poluvodiče s
prevladavajuća koncentracija je ili negativna ili pozitivna
jako nabijeni nosioci. Ova značajka poluvodiča je otkrivena
pruža široke mogućnosti za praktičnu primjenu.
Donatorske nečistoće.
Ispostavilo se da u prisutnosti nečistoća, na primjer atoma arsena, čak i pri vrlo niskim koncentracijama, broj slobodnih elektrona raste u
puno puta. To se događa iz sljedećeg razloga. Atomi arsena imaju pet valentnih elektrona, od kojih su četiri uključena u stvaranje kovalentne veze između ovog atoma i okolnih atoma, na primjer, s atomima silicija.Peti valentni elektron je slabo vezan za atom. Lako napušta atom arsena i postaje slobodan. Koncentracija slobodnih elektrona značajno raste, te postaje tisuću puta veća od koncentracije slobodnih elektrona u čistom poluvodiču. Nečistoće koje lako predaju elektrone nazivaju se donorske primjese, a takvi poluvodiči su poluvodiči n-tipa. U poluvodiču n-tipa, elektroni su većinski nositelji naboja, a šupljine manjinski nositelji naboja.
Akceptorske nečistoće.
Ako se indij, čiji su atomi trovalentni, koristi kao nečistoća, tada se mijenja priroda vodljivosti poluvodiča. Sada, za formiranje normalnih parnih elektroničkih veza sa susjedima, atom indija ne radi
dobije elektron. Kao rezultat toga, formira se rupa. Broj rupa u kristalu
tale je jednak broju atoma nečistoća. Ova vrsta nečistoće
nazivaju se akceptor (prijamni). U prisutnosti električnog polja
rupe se miješaju preko polja i javlja se vodljivost rupa. Po-
poluvodiči s prevladavajućom vodljivošću šupljina nad elektronima
Zovu se poluvodiči p-tipa (od riječi positiv - pozitivan).
2. Osnovni poluvodički elementi (građa i primjena)
Dva su osnovna poluvodička elementa: dioda i tranzistor.
/>Poluvodičke diode danas se sve više koriste za ispravljanje električne struje u radijskim krugovima, uz dvoelektrodne žarulje, jer imaju niz prednosti. U vakuumskoj cijevi elektroni nositelji naboja nastaju zagrijavanjem katode. U p-n spoju, nositelji naboja nastaju kada se u kristal unese akceptorska ili donorska nečistoća.Dakle, nema potrebe za izvorom energije za dobivanje nositelja naboja. U složenim krugovima, uštede energije koje proizlaze iz ovoga su vrlo značajne. Osim toga, poluvodički ispravljači, s istim vrijednostima ispravljene struje, minijaturniji su od cijevnih ispravljača.
/> Poluvodičke diode izrađene su od germanija i silicija. selen i druge tvari. Razmotrimo kako se p-n spoj stvara kada se koristi donja nečistoća; ovaj spoj se ne može dobiti mehaničkim povezivanjem dvaju poluvodiča različitih vrsta, jer to rezultira prevelikim razmakom između poluvodiča i poluvodiča.Ta debljina ne smije biti veća od međuatomskih udaljenosti. Stoga se indij topi na jednoj od površina uzorka. Zbog difuzije atoma indija duboko u monokristal germanija, na površini germanija se transformira područje s vodljivošću p-tipa. Ostatak uzorka germanija, u koji atomi indija nisu prodrli, još uvijek ima n-tip vodljivosti. Između regija javlja se p-n spoj. U poluvodiču diodegermanij služi kao katoda, a indij kao anoda. Na slici 1 prikazan je izravni (b) i obrnuti (c) spoj diode.
Strujno-naponska karakteristika za izravne i obrnute spojeve prikazana je na slici 2.
Zamijenile su svjetiljke i imaju vrlo široku primjenu u tehnici, uglavnom za ispravljače; diode su također našle primjenu u raznim uređajima.
Tranzistor.
/> Razmotrimo jednu vrstu tranzistora izrađenog od germanija ili silicija s donorskim i akceptorskim nečistoćama unesenim u njih. Raspodjela nečistoća je takva da se između dva sloja poluvodiča p-tipa stvara vrlo tanak (reda veličine nekoliko mikrometara) sloj poluvodiča n-tipa. 3. Taj tanki sloj naziva se baza ili baza.U kristalu nastaju dva p-n spoja čiji su izravni smjerovi suprotni. Tri terminala iz područja s različitim vrstama vodljivosti omogućuju spajanje tranzistora na krug prikazan na slici 3. Ovom vezom
Lijevi pn spoj je izravan i odvaja bazu od područja s p-tipom vodljivosti, koje se naziva emiter. Da nema desnog p–n spoja, u krugu emiter-baza postojala bi struja, ovisno o naponu izvora (baterija B1 i izvor izmjeničnog napona).
otpor) i otpor kruga, uključujući mali izravni otpor
/>prijelaz emiter-baza. Baterija B2 spojena je tako da je desni pn spoj u krugu (vidi sl. 3) obrnut. Odvaja bazu od desnog područja s p-tipom vodljivosti, koji se naziva kolektor. Da nema lijevog pn spoja, jakost struje kolektorskog kruga bila bi blizu nule, jer je otpor obrnutog spoja vrlo visok. Kada postoji struja u lijevom p-n spoju, u kolektorskom krugu se pojavljuje struja, a jakost struje u kolektoru tek je neznatno manja od jakosti struje u emiteru.Kada se stvori napon između emitera i baze, glavni nosioci p-tipa poluvodiča - rupe prodiru u bazu, gdje su već glavni nosioci nosioci. Budući da je debljina baze vrlo mala i broj glavnih nositelja (elektrona) u njoj mali, rupe koje ulaze u nju gotovo se ne kombiniraju (ne rekombiniraju) s elektronima baze i prodiru u kolektor zbog do difuzije. Desni pn spoj zatvoren je za glavne nositelje naboja baze - elektrone, ali ne i za šupljine. Rupe u kolektoru odnese električno polje i zaokruži strujni krug. Snaga struje koja se grana u krug emitera iz baze je vrlo mala, jer je površina poprečnog presjeka baze u vodoravnoj (vidi sliku 3) ravnini mnogo manja od poprečnog presjeka u okomitoj ravnini . Jačina struje u kolektoru je gotovo jednako snazi struja u emiteru, mijenja se sa strujom u emiteru. Otpor otpornika R /> malo utječe na struju u kolektoru, a taj se otpor može učiniti prilično velikim. Kontroliranjem struje emitera pomoću izvora izmjeničnog napona spojenog na njegov krug, dobivamo sinkronu promjenu napona na otporniku. Ako je otpor otpornika velik, promjena napona na njemu može biti nekoliko desetaka tisuća puta veća od promjene signala u krugu emitera, što znači porast napona. Stoga je korištenjem opterećenja R moguće dobiti električne signale čija je snaga višestruko veća od snage dovedene u krug emitera.Oni zamjenjuju vakuumske cijevi i imaju široku primjenu u tehnici.
3.Vrste poluvodičkih elemenata.
/>Osim planarnih dioda (slika 8) i tranzistora postoje i točkaste diode (slika 4). Tranzistori točka-točka (vidi sliku za strukturu) se lijevaju prije upotrebe, tj. Propuštaju struju određene veličine, zbog čega se ispod vrha žice formira područje s rupom vodljivosti. Tranzistori dolaze u pnp i n-p-n vrsta. Oznaka i općenito vidljivi su na slici 5.
Postoje foto- i termistori i varistori kao što je prikazano na slici. Planarne diode uključuju selenske ispravljače.Osnova takve diode je čelična podloška, obložena s jedne strane slojem selena, koji je poluvodič s rupičastom vodljivošću (vidi sliku 7). Površina selena obložena je slitinom kadmija, što rezultira stvaranjem filma s elektronskom vodljivošću, uslijed čega nastaje strujni ispravljački spoj. veća površina, veća je ispravljena struja.
4. Proizvodnja
/>Tehnologija proizvodnje diodata je slična. Komad indija rastali se na površini kvadratne ploče površine 2-4 cm2 i debljine nekoliko frakcija milimetra, izrezane iz poluvodičkog kristala s elektronskom vodljivošću. Indij je čvrsto legiran pločom. U ovom slučaju atomi indija prodiru (difundiraju) u debljinu ploče, tvoreći u njoj područje s prevladavajućom vodljivošću šupljina (slika 6). Dobiva se poluvodički uređaj s dva područja različite vrste vodljivosti, a između njih je p-n spoj. Što je poluvodička pločica tanja. što je manji otpor diode u smjeru prema naprijed, veća je struja koju ispravlja dioda. Kontakti diode su kapljica indija i metalni disk ili šipka s olovnim vodičima
Nakon sastavljanja tranzistor se montira u kućište i spaja električni priključak. vodi do kontaktnih ploča kristala i tijela izvoda brtve tijelo.
5. Opseg primjene
/> Diode su vrlo pouzdane, ali je granica njihove uporabe od –70 do 125 C. Jer Točkasta dioda ima vrlo malu kontaktnu površinu, tako da struje koje takve diode mogu isporučiti nisu veće od 10-15 mA. Koriste se uglavnom za moduliranje visokofrekventnih oscilacija i za mjerni instrumenti. Za bilo koju diodu postoje određene najveće dopuštene granice prednje i obrnute struje, ovisno o prednjem i obrnutom naponu i određujući njezina svojstva ispravljanja i čvrstoće.
Tranzistori su, poput dioda, osjetljivi na temperaturu i preopterećenje te na prodorno zračenje. Tranzistori, za razliku od radio cijevi, izgaraju zbog nepravilnog spajanja.
Poluvodička dioda zove se elektronički element koji ne pojačava signal s jednim spojem elektron-rupa i dva izvoda od anode i katode.
Diode se koriste u elektronički sklopovi za pretvorbu parametara električnih signala (ispravljanje, stabilizacija). Diode se razlikuju po dizajnu ( točkasti, ravninski) i prema simbol na dijagramima (ovisno o funkcionalnoj namjeni).
Princip rada dioda to ilustrira volt-amper karakteristike, oni. ovisnost struje o primijenjenom naponu, (slika 1), iz koje je jasno da dioda ima jednosmjerna vodljivost(propušta struju u smjeru naprijed i praktički je ne prolazi u obrnutom smjeru).
Dioda je spojena u smjeru naprijed kada je pozitivni pol izvora struje spojen na anodu A, a negativni pol izvora struje na katodu K. To odgovara karakterističnoj grani u prvom kvadrantu. Kroz diodu prolazi velika prednja struja.
Kada je spojen na obrnuti smjer (plus - na katodu, minus - na anodu), reverzna struja I OBR koja prolazi kroz diodu je vrlo mala (mkA).
U ovom slučaju, istosmjerna struja, kao što se može vidjeti na sl. 1, značajno ovisi o temperatura okoliš (povećava se s porastom temperature).
Riža. 1. Strujno-naponska karakteristika diode.
Karakteristike diode:
Uz razmatrani strujni napon, glavne karakteristike diode uključuju:
Maksimalna prednja struja ja ITD ;
Otpornost na temperaturu t 0 max ;
Maksimalni povratni napon U KP .
DC otpor R 0 = U ITD / ja ITD ;
AC Otpor R ja = Δ U ITD / Δ ja ITD ;
Nagib strujno-naponske karakteristike S = Δ ja ITD / Δ U ITD ;
Gubitak snage na anodi P A = U ITD ja ITD ;
Područje upotrebe dioda: AC ispravljanje; stabilizacija napona; rad u fotonaponskim uređajima; rad u mikrovalnim krugovima itd.
Tranzistori
Tranzistori – poluvodički uređaji s dva r-p dopuštajući prijelaze poboljšati električni signal i obično ima tri priključka. Podijeljeni u dvije grupe - bipolarni i unipolarni(polje). Osnovni sklopovi za spajanje bipolarnog tranzistora - sa zajedničkom bazom, sa zajedničkim emiterom i sa zajedničkim kolektorom. Vrsta sklopnog sklopa određuje kojim će parametrom tranzistor pojačati signal (napon, struja itd.).
Bipolarni tranzistor je poluvodički uređaj s troslojnom strukturom s izmjeničnim vrstama vodljivosti i dvije r-p prijelazi, koji omogućuju pojačanje električnih signala i imaju tri izlaza. razlikovati izravni (p-n-p) i obrnuti (n-p-n) tranzistori, razlika između kojih je polaritet spajanje izvora napajanja.
Komponente tranzistora odgovaraju njegovim slojevima i nazivaju se: odašiljač– emiter naboja, baza– baza i kolektor– sakupljač naboja. Slojevi imaju
različita vodljivost: ekstremna (emiter i kolektor) - rupastr, a baza koja se nalazi između njih je elektroničkan(slika 2).
Baza kolektora emitera
jauh jaDo
UlazIzlaz
Riža. 2. Bipolarni str- n- str tranzistor spojen prema krugu zajedničke baze
Razmotrimo princip rada tranzistora. Kao što se može vidjeti na Sl. 2, tranzistor ima dva spoja: str- n I n- str. Prvi prijelaz ( str- n) uključen u direktno pravac, tj. minus k n-područja, i plus do R– područja - emiteru. Stoga će istosmjerna struja teći kroz ovaj spoj. Drugi prijelaz ( n- str) uključen u obrnuti pravac, tj. plus do baze ( n- područje), a minus do R– površine - kolektoru. Ako otvorite emiter (ulazni) krug, ovaj spoj, koji se nalazi ispod obrnutiU K kada se uključi, bit će praktički zatvoren.
Ako zatvorite krug emitera (primijenite ulazni signal), kroz prvi (otvoreni) str- n spoju, teći će istosmjerna struja, nastala ubrizgavanjem rupa u bazu. Budući da je debljina baze mala, a poluvodiči od kojih su izrađeni emiter i baza odabrani su s različitim koncentracijama glavnih nositelja, tj. koncentracija šupljina u emiteru znatno je veća od koncentracije elektrona u bazi, u bazi će biti toliko rupa da će samo mali dio njih pronaći u bazi elektrone potrebne za rekombinaciju. Stoga se dolazne šupljine koje se nisu rekombinirale s elektronima počinju kretati prema onim područjima baze koja su uz kolektor. Pozitivne rupe koje se približavaju kolektorskom spoju, doživljavaju djelovanje jakog ubrzavajućeg polja iz snažne kolektorske baterije U K, prolaze u kolektor i rekombiniraju se s elektronima koji dolaze u kolektor s negativnog pola baterije. Kao rezultat toga, kolektorska struja će početi teći kroz kolektorski spoj ja K, unatoč činjenici da se obrnuti napon primjenjuje na spoj. Ova struja kolektora bit će 90 - 95% struje emitera (zbog malog broja rekombinirajućih rupa preostalih u bazi). Ali najvažnije je da će veličina struje kolektora ovisiti o veličini struje emitera i mijenjat će se proporcionalno njezinoj promjeni. Doista, što je veća struja kroz emiterski spoj, tj. što više rupica emiter ubrizgava u bazu, to je veća struja kolektora, koja ovisi o broju tih rupica. To dovodi do praktično važnog zaključka:
Kontroliranjem struje emitera tranzistora, možete kontrolirati struju kolektora, au ovom slučaju dolazi do efekta pojačanja.
Ovo svojstvo odredilo je područje uporabe tranzistora u krugovima pojačala. Tako će, na primjer, dati razmatrani krug za spajanje tranzistora sa zajedničkom bazom dobitak napona i snage ulazni signal, budući da je otpor izlaznog opterećenja Rn uz odgovarajući odabir napona baterije UDo može biti znatno veći od otpora na ulazu pojačala, tj. R H >> R VX, i ulaz (emiter ja E) i izlaz (kolektor ja DO) struje su približno jednake. Otuda napon i snaga dovedeni na ulaz U VX = ja VX * R VX ; Pulazni= ja 2 ulazni * Rulazni manje od odgovarajućih vrijednosti napona i snage na izlazu, odnosno u opterećenju U = ja DO * R N ; Pn = ja K 2 * RN. U ovom slučaju nema trenutnog dobitka (budući da ja E ~ = ja DO).
Češće se, međutim, koristi drugi spojni krug tranzistora - krug zajedničkog emitera, kod kojih osim pojačanja snage postoji i strujno pojačanje. Dijagram povezivanja sa zajedničkim kolektorom koristi se pri radu s opterećenjem niskog otpora ili od senzora visokog otpora. Dobitak takvog kruga u smislu struje i snage je nekoliko desetaka jedinica, au smislu napona - oko jedan.
Da biste ispravno razumjeli princip rada tranzistorskih krugova, potrebno je dobro razumjeti značajke rada tranzistora kao pojačala, koje su sljedeće: za razliku od vakuumske cijevi, tranzistor ima mali ulazni otpor u većina sklopnih sklopova, zbog čega se vjeruje da se tranzistorom upravlja ulaznom strujom, a ne ulaznom strujom napetost; mali ulazni otpor tranzistorskih pojačala dovodi do primjetne potrošnje snage (struje) iz izvora pojačanih oscilacija, stoga u ovim pojačalima glavna važnost nije dobitak napona, već dobitak struje ili snage; pojačanje snage k određeno je omjerom snage dodijeljene na izlazu pojačala u korisnom teretu i snage potrošene na ulaznoj impedanciji pojačala; Parametri i karakteristike tranzistora jako ovise o temperaturi i odabranom načinu rada, što je nedostatak.
Karakteristike tranzistora:
Ulazna, izlazna i prijelazna karakteristika, sl. 3,
Riža. 3. Karakteristike tranzistora: a – ulaz, b – izlaz, c – prijelaz
Dobitak (prijenos) in opći pogled, po naponu, struji, snazi
k=ΔΧ OUT /ΔΧ IN;ΔU OUT /ΔU IN;ΔI OUT /ΔI IN;ΔP OUT /ΔP IN.
Ulazna impedancija izmjenične struje tranzistora
R = ΔU VH / ΔI VH.
Gubitak snage kolektora
P K = U K * I K .
Prednosti tranzistora: male dimenzije, visoka osjetljivost, bez inercije; izdržljivost; mane: značajan utjecaj vanjskih faktora (temperatura, e/m polja, radioaktivno zračenje itd.).
Područje upotrebe tranzistori: Žičane i radio komunikacije; TELEVIZOR; radar; radio navigacija; automatika i telemehanika; Računalno inženjerstvo; mjerna tehnika; krugovi pojačala; memorijski čipovi za digitalne uređaje itd.
