Напівпровідниковим діодом називається прилад з двома виходами та одним електиронно-дірковим переходом
Напівпровідникові діоди застосовуються в пристроях радіоелектроніки, автоматики та обчислювальної техніки, силової перетворювальної техніки. Діоди великої потужності використовуються в силових установках для живлення тягових електродвигунів, приводу верстатів та механізмів.
Напівпровідникові діоди мають ряд переваг у порівнянні з електронними лампами: невеликі габарити, малу масу, високий ККД, відсутність джерела електронів, що розжарюється, великий термін служби, високу надійність.
Важлива властивість напівпровідникових діодів – одностороння провідність – широко застосовується у пристроях випрямлення, обмеження та перетворення електричних сигналів.
Діоди класифікуються за призначенням, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам (точкові та площинні), вихідного напівпровідникового матеріалу.
За функціональним призначенням розрізняють напівпровідникові діоди: випрямні, імпульсні, стабілітрони (опорні), фотодіоди, світловипромінюючі діоди.
1. випрямлювальні призначені для перетворення змінного струму на постійний і використовують властивість р-нпереходу, а також інших електричних переходів добре проводити струм в одному напрямку та погано – у протилежному. Ці струми і відповідні напруги називають прямими і зворотними струмами та напругами. розрізняють низько та високочастотні випрямні діоди. Перші застосовують у перетворювальних пристроях енергетичної електроніки, другі – для перетворення радіосигналів
2. імпульсні призначені для переважної роботи в імпульсних пристроях. Їхні властивості визначають параметри, що враховують інерційність перемикання діода: ємність переходу, інтервал часу відновлення зворотного опору
3. стабілітрони призначені для стабілізації постійної напруги та обмеження викидів напруги. У цих діодах використовується явище неруйнівного електричного. пробою р-нпереходу за деяких значень зворотної напруги. Важливим параметром є температурний коефіцієнтстабілізації напруги.
В основу маркування покладено буквено-цифровий код
Перша буква чи цифра позначає матеріал напівпровідникового кристала: 1або Р – германій; 2 – К – кремній; 3-А – арсенід галію
Друга літера позначать клас діода: Д-випрямний, Аі - НВЧ діоди, В - варикап, С-стабілітрон, І-тунельний діод;
3 наступні цифри характеризують тип або сферу застосування 101-399 - випрямлення змінного струму, 401-499 - робота у високочастотних або понад частотних ланцюгах, 501-599 - імпульсні системи
Остання цифра - означає конструктивні або інші особливості діода
Транзисторами називаються активні напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими р-н переходамиі трьома висновками, що застосовуються для посилення та генерування електричних коливань. (у зв'язку, телебаченні, радіолокації, радіонавігації, автоматиці, телемеханіці, обчислювальній та вимірювальній техніці.)
Транзистор мати тришарову структуру, що складається з областей, що чергуються, з різними типами. електропровідності р-н-рабо н-р-н Принципдії транзистора заснований на використанні фізичних процесів, що відбуваються при перенесенні основних електричних зарядівз емітерної області до колекторної (крайні зони) через базу (середня зона). Призначенням емітерного переходу є інжекція (впорскування) основних носіїв емітеру до базової області
Розрізняють 4 режими роботи транзистора:
Активний (перехід емітер-база включений у прямому напрямку а перехід колектор-база – у зворотному)
Інверсний (перехід емітер-база включений в зворотному напрямкуа перехід колектор-база – у прямому)
Режим відсічки – обидва переходи включені у зворотному напрямку
Режим насичення - обидва переходи включені у прямому напрямку
Недоліком транзистора є відносно висока нестабільність параметрів і характеристик. Причини нестабільності: вплив температури довкілля, Зміна параметрів при старінні з часом, розкид параметрів в процесі виготовлення однотипних транзисторів.
Транзистори класифікуються за матеріалом, способом руху неосновних носіїв у базовій області, потужності та частоті, призначенню та способу виготовлення
Стрімкий розвиток та розширення областей застосування електронних пристроїв обумовлено вдосконаленням елементної бази, основу якої складають напівпровідникові прилади. Тому для розуміння процесів функціонування електронних пристроїв необхідне знання пристрою та принципу дії основних типів напівпровідникових приладів.
Транзистори
Транзистор - це напівпровідниковий прилад, призначений для посилення, генерування та перетворення електричних сигналів, а також комутації електричних ланцюгів.
Відмінною особливістю транзистора є здатність посилювати напругу і струм - діючі на вході транзистора напруги та струми призводять до появи на його виході напруги та струмів значно більшої величини.
З поширенням цифрової електроніки та імпульсних схем основною властивістю транзистора є його здатність перебувати у відкритому та закритому станах під дією керуючого сигналу.
Свою назву транзистор отримав від скорочення двох англійських слів tran(sfer) (re)sistor - керований резистор. Ця назва невипадкова, оскільки під дією прикладеного до транзистора вхідної напруги опір між його вихідними затискачами може регулюватися в дуже широких межах.
Транзистор дозволяє регулювати струм у ланцюзі від нуля до максимального значення.
Класифікація транзисторів:
За принципом дії: польові (уніполярні), біполярні, комбіновані.
За значенням потужності, що розсіюється: малої, середньої і великої.
За значенням граничної частоти: низько-, середньо-, високо- та надвисокочастотні.
За значенням робочої напруги: низько- та високовольтні.
За функціональним призначенням: універсальні, підсилювальні, ключові та ін.
За конструктивним виконанням: безкорпусні та в корпусному виконанні, з жорсткими та гнучкими висновками.
Залежно від виконуваних функцій транзистори можуть працювати у трьох режимах:
1) Активний режим – використовується для посилення електричних сигналів у аналогових пристроях. Опір транзистора змінюється від нуля до максимального значення - кажуть транзистор «відкривається» або «підзакривається».
2) Режим насичення - опір транзистора прагне нулю. При цьому транзистор еквівалентний замкнутому контакту реле.
3) Режим відсічки - транзистор закритий і має високий опір, тобто. він еквівалентний розімкнутому контакту реле.
Режими насичення та відсічення використовуються в цифрових, імпульсних та комутаційних схемах.
Біполярний транзистор- це напівпровідниковий прилад із двома p-n-переходами та трьома висновками, що забезпечує посилення потужності електричних сигналів.
У біполярних транзисторах струм обумовлений рухом носіїв заряду двох типів: електронів та дірок, що і визначає їхню назву.
На схемах транзистори допускається зображати як у колі, так і без неї (рис. 3). Стрілка вказує напрямок протікання струму в транзисторі.
Малюнок 3 - Умовно - графічне позначення транзисторів n-p-n(а) та p-n-p(б)
Основою транзистора є пластина напівпровідника, в якій сформовані три ділянки з типом провідності, що чергується, - електронним і дірочним. Залежно від чергування шарів розрізняють два види структури транзисторів: n-p-n (рис. 3, а) та p-n-p (рис. 3, б).
Еміттер (Е) - шар, що є джерелом носіїв заряду (електронів або дірок) і створює струм приладу;
Колектор (К) – шар, який приймає носії заряду, які від емітера;
База (Б) - середній шар, який керує струмом транзистора.
При включенні транзистора в електричний ланцюг один із його електродів є вхідним (включається джерело вхідного змінного сигналу), інший - вихідним (включається навантаження), третій електрод - загальний щодо входу та виходу. Найчастіше використовується схема із загальним емітером (рис 4). На базу подається напруга не більше 1, на колектор більше 1, наприклад +5, +12, +24 і т.п.
Малюнок 4 – Схеми включення біполярного транзистора із загальним емітером
Струм колектора виникає тільки при протіканні струму бази Iб (визначається Uбэ). Чим більший Iб, тим більше Iк. Iб вимірюється в одиницях мА, а струм колектора - у десятках та сотнях мА, тобто. ІбІк. Тому при подачі на базу змінного сигналу малої амплітуди, малий Iб буде змінюватися, і пропорційно йому буде змінюватися великий Iк. При включенні в ланцюг колектора опору навантаження, на ньому виділятиметься сигнал, що повторює формою вхідний, але більшої амплітуди, тобто. посилений сигнал.
До гранично допустимих параметрів транзисторів в першу чергу відносяться: максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі Рк.mах, напруга між колектором і емітером Uке.mах, струм колектора Iк.mах.
Для підвищення граничних параметрів випускаються транзисторні збирання, які можуть налічувати до кількох сотень паралельно з'єднаних транзисторів, укладених в один корпус.
Біполярні транзистори нині використовуються все рідше, особливо в імпульсній силовій техніці. Їхнє місце займають польові транзистори MOSFET та комбіновані транзистори IGBT, що мають у цій галузі електроніки безперечні переваги.
У польових транзисторах струм визначається рухом носіїв лише одного знака (електронами чи дірками). На відміну від біполярних, струм транзистора управляється електричним полем, яке змінює переріз провідного каналу
Так як немає протікання струму у вхідному ланцюзі, то й споживана потужність з цього кола практично дорівнює нулю, що безперечно є гідністю польового транзистора.
Конструктивно транзистор складається з провідного каналу n- або p-типу, на кінцях якого знаходяться області: витік, що випускає носії заряду і стік, що приймає носії. Електрод, який служить для регулювання поперечного перерізу каналу, називають затвором.
Польовий транзистор- це напівпровідниковий прилад, що регулює струм у ланцюзі за рахунок зміни перерізу провідного каналу.
Розрізняють польові транзистори з затвором вигляді p-nпереходу та з ізольованим затвором.
У польових транзистори з ізольованим затвором між напівпровідниковим каналом і металевим затвором розташований ізолюючий шар з діелектрика - МДП-транзистори (метал - діелектрик - напівпровідник), окремий випадок - оксид кремнію - МОП-транзистори.
МДП-транзистор із вбудованим каналом має початкову провідність, яка за відсутності вхідного сигналу (Uзі = 0) становить приблизно половину від максимальної. У МДП-транзистори з індукованим каналом при напрузі Uзі=0 вихідний струм відсутня, Iс =0, так як провідного каналу спочатку немає.
МДП-транзистори з індукованим каналом називають також транзистори MOSFET. Використовуються в основному як ключові елементи, наприклад в імпульсних джерелах живлення.
Ключові елементи на МДП-транзисторах мають ряд переваг: ланцюг сигналу гальванічно не пов'язана з джерелом керуючого впливу, ланцюг управління не споживає струму, мають двосторонню провідність. Польові транзистори, на відміну біполярних, не бояться перегріву.
Докладніше про транзистори дивіться тут:
Тиристори
Тиристор - це напівпровідниковий прилад, що працюють у двох стійких станах – низької провідності (тиристор закритий) та високої провідності (тиристор відкритий). Конструктивно тиристор має три або більше p-n – переходів та три висновки.
Крім анода і катода, у конструкції тиристора передбачено третій висновок (електрод), який називається керуючим.
Тиристор призначений для безконтактної комутації (вмикання та вимикання) електричних кіл. Характеризуються високою швидкодією та здатністю комутувати струми дуже значної величини (до 1000 А). Поступово витісняються комутаційними транзисторами.
Малюнок 5 - Умовно - графічне позначення тиристорів
Дінистори (двохелектродні)- як і звичайні випрямні діоди мають анод та катод. Зі збільшенням прямої напруги при певному значенні Ua = Uвкл диністор відкривається.
Тіристори (триністори - триелектродні)- мають додатковий керуючий електрод; Uвкл змінюється струмом управління, що протікає через керуючий електрод.
Для переведення тиристора в закритий стан необхідно подати зворотну напругу (- на анод, + на катод) або зменшити прямий струм нижче значення, званого струмом утримання Iудер.
Тиристор, що замикається- може бути переведений в закритий стан подачею імпульсу керуючого зворотної полярності.
Тиристори: принцип дії, конструкції, типи та способи включення
Сімистори (симетричні тиристори)- Проводять струм в обох напрямках.
Тиристори застосовуються як безконтактні перемикачі та керовані випрямлячі в пристроях автоматики та перетворювачах електричного струму. У ланцюгах змінного та імпульсних струмів можна змінювати час відкритого стану тиристора, а значить і час перебігу струму через навантаження. Це дозволяє регулювати потужність, що виділяється у навантаженні.
Одностороння провідність контактів двох напівпровідників (або металу з напівпровідником) використовується для випрямлення та перетворення змінних струмів. Якщо є один електронно-дірковий перехід, то його дія аналогічна дії двоелектродної лампи - діода (див. § 105). Тому напівпровідниковий пристрій, що містить один р-n-перехід, називається напівпровідниковим (кристалічним) діодом. Напівпровідникові діоди за конструкцією діляться на точковіі площинні.
Мал. 339 Мал. 340
Як приклад розглянемо точковий германієвий діод (рис.339), в якому тонкий вольфрамовий дріт 1 притискається до n-Німеччину 2 вістрям, покритим алюмінієм. Якщо через діод у прямому напрямку пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому різко підвищується дифузія А1 в Ge і утворюється шар германію, збагачений алюмінієм і володіє р-Провідністю. На межі цього шару утворюється р-n-перехід, що володіє високим коефіцієнтомвипрямлення. Завдяки малій ємності контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори (випрямлячі) високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.
Принципова схема площинного міднозакисного (купроксного) випрямляча дана на рис. 340. На мідну пластину за допомогою хімічної обробки нарощується шар закису міді Сu 2 Про який покривається шаром срібла. Срібний електрод служить лише для включення випрямляча у ланцюг. Частина шару Сu 2 Про, прилегла до Сu і збагачена нею, має електронну провідність, а частина шару Сu 2 Про, прилегла до Ag і збагачена (у процесі виготовлення випрямляча) киснем, - дірковою провідністю. Таким чином, у товщі закису міді утворюється замикаючий шар з пропускним напрямком струму від Сu 2 Про Сu ().
Технологія виготовлення германієвого площинного діода описана § 249 (див. рис.325). Поширеними є також селенові діоди та діоди на основі арсеніду галію та карбіду кремнію. Розглянуті діоди мають цілу низку переваг у порівнянні з електронними лампами (малі габаритні розміри, високі к. п. д. і термін служби, постійна готовність до роботи і т. д.), але вони дуже чутливі до температури, тому інтервал їх робочих температур обмежений (від -70 до +120 ° С). р-n-Переходи мають не тільки прекрасні властивості, що випрямляють, але можуть бути використані також для посилення, а якщо в схему ввести зворотний зв'язок, то і для генерування електричних коливань. Прилади, призначені для цього, отримали назву напівпровідникових тріодівабо транзисторів(перший транзистор створений у 1949 р. американськими фізиками Д. Бардіном, У. Браттейном та У. Шоклі; Нобелівська премія 1956 р.).
Для виготовлення транзисторів використовуються германій і кремній, оскільки вони характеризуються великою механічною міцністю, хімічною стійкістю та більшою, ніж в інших напівпровідниках, рухливістю носіїв струму. Напівпровідникові тріоди діляться на точковіі площинні. Перші значно посилюють напругу, але їх вихідні потужності малі через небезпеку перегріву (наприклад, верхня межа робочої температури точкового германієвого тріода лежить у межах 50 - 80 ° С). Площинні тріоди є потужнішими. Вони можуть бути типу р-п-рта типу п-р-пзалежно від чергування областей із різною провідністю.
Наприклад розглянемо принцип роботи площинного тріода р-п-р, тобто тріода на основі n-напівпровідника (рис. 341). Робочі «електроди» тріода, якими є база(Середня частина транзистора), емітері колектор(прилеглі до бази з обох сторін області з іншим типом провідності), включаються до схеми за допомогою непрямих контактів - металевих провідників. Між емітером і базою прикладається постійна напруга, що зміщує в прямому напрямку, а між базою і колектором - постійна зміщувальна напруга в зворотному напрямку. Змінна напруга, що посилюється, подається на вхідний опір, а посилена - знімається з вихідного опору.
Протікання струму в ланцюзі емітера обумовлено переважно рухом дірок (вони є основними носіями струму) і супроводжується їх «впорскуванням» - інжекцією- До області бази. Прониклі в базу дірки дифундують у напрямку до колектора, причому при невеликій товщині бази значна частина інжектованих дірок досягає колектора. Тут дірки захоплюються полем, що діє всередині переходу (притягуються до негативно зарядженого колектора), і змінюють струм колектора. Отже, будь-яка зміна струму в ланцюзі емітера викликає зміну струму в колі колектора.
Прикладаючи між емітером та базою змінну напругу, отримаємо в ланцюзі колектора змінний струм, а на вихідному опорі - змінну напругу. Величина посилення залежить від властивостей p-n-переходів, навантажувальних опорів та напруги батареї Б к. Зазвичай >>, тому значно перевищує вхідну напругу (посилення може досягати 10 000). Так як потужність змінного струму, що виділяється в , може бути більшою, ніж витрачається в ланцюзі емітера, то транзистор дає і посилення потужності. Ця посилена потужність з'являється рахунок джерела струму, включеного в ланцюг колектора.
З розглянутого випливає, що транзистор, подібно до електронної лампи, дає посилення і напруги і потужності. Якщо лампі анодний струм управляється напругою на сітці, то транзисторі струм колектора, відповідний анодному струму лампи, управляється напругою з урахуванням.
Принцип роботи транзистора п-р-п-Типу аналогічний розглянутому вище, але роль дірок грають електрони. Існують інші типи транзисторів, як і інші схеми їх включення. Завдяки своїм перевагам перед електронними лампами (малі габаритні розміри, високі к. п. д. і термін служби, відсутність катода, що розжарюється і тому споживання меншої потужності, відсутність необхідності у вакуумі і т. д.), транзистор здійснив революцію в області електронних засобів зв'язку та забезпечив створення швидкодіючих ЕОМ з великим обсягом пам'яті.
- У чому суть адіабатичного наближення та наближення самоузгодженого поля?
- Чим відрізняються енергетичні стани електронів в ізольованому атомі та кристалі? Що таке заборонені та дозволені енергетичні зони?
- Чим відрізняються за зонною теорією напівпровідники та діелектрики? метали та діелектрики?
- Коли за зонною теорією тверде тілоє провідником електричного струму?
- Як пояснити збільшення провідності напівпровідників із підвищенням температури?
- Чим обумовлена провідність своїх напівпровідників?
- Чому рівень Фермі у власному напівпровіднику розташований у середині забороненої зони? Довести це становище.
- Яким є механізм електронної домішкової провідності напівпровідників? діркової домішкової провідності?
- Чому за досить високих температур у домішкових напівпровідниках переважає власна провідність?
- Який механізм власної фотопровідності? домішкової фотопровідності? Що таке червона межа фотопровідності?
- Які за зонною теорією механізми виникнення флуоресценції та фосфоресценції?
- У чому причини виникнення контактної різниці потенціалів?
- У чому полягає суть термоелектричних явищ? Як пояснити їхнє виникнення?
- Коли виникає замикаючий контактний шар при контакті металу з напівпровідником n-Типу? з напівпровідником р-Типу? Поясніть механізм його утворення.
- Як пояснити односторонню провідність р-п-Переходу?
- Яка вольт-амперна характеристика p-n-Переходу? Поясніть виникнення прямого та зворотного струму.
- Який напрямок у напівпровідниковому діоді є пропускним для струму?
- Чому через напівпровідниковий діод проходить струм (хоч і слабкий) навіть при замикаючій напрузі?
Завдання
31.1. Германієвий зразок нагрівають від 0 до 17°С. Приймаючи ширину забороненої зони кремнію 0,72 еВ, визначити, скільки разів зросте його питома провідність. [У 2,45 рази]
31.2. У чистий кремній введено невелику домішку бору. Користуючись Періодичною системоюД. І. Менделєєва, визначити та пояснити тип провідності домішкового кремнію.
31.3. Визначити довжину хвилі, коли у домішковому напівпровіднику ще збуджується фотопровідність.
Підготовлено
Учнем 10 «А» класу
Школи № 610
Івчиним Олексієм
Реферат на тему:
«Напівпровідникові діоди та транзистори, області їх пременія»
2.Основні напівпровідникові прилади (Будова та застосування)
3. Типи напівпровідникових приладів
4.Виробництво
5. Область застосування
1.Напівпровідники: теорія та властивості
Спочатку треба познайомитися з механізмом провідності у напівпровідниках. А для цього потрібно зрозуміти природу зв'язків, що утримують атоми напівпровідникового кристала один біля одного. Для прикладу розглянемо кристал кремнію.
Кремній-чотиривалентний елемент. Це означає, що у зовнішній
оболонці атома є чотири електрони, порівняно слабко пов'язані
із ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює
чотирьом. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою
паоноелектронного зв'язку, званого ковалентним зв'язком. Утворенні
цього зв'язку від кожного атома беруть участь по одномувалентному електрону, ко-
які відщеплюються від атомів (колективізуються кристалом) і при
своєму русі більшу частину часу проводять у просторі між
сусідніми атомами. Їхній негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного. Кожен атом утворює чотири зв'язки з сусідніми,
і будь-який валентний електрон може рухатися однією з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього кристала.
Валентні електрони належать всьому кристалу. Парноелектронні зв'язки кремнію досить міцні і за низьких температур не розриваються. Тому кремній при низькій температурі не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язку з атомами, міцно прив'язані до кристалічної решітці, і зовнішнє електричне поле не надає помітного впливу на їх рух.
Електронна провідність.
При нагріванні кремнію кінетична енергія частинок підвищується, та
настає розрив окремих зв'язків. Деякі електрони залишають свої орбіти і стають вільними, подібно до електронів у металі. У електричному полі вони переміщаються між вузлами решітки, утворюючи електричний струм.
Провідність напівпровідників обумовлена наявністю вільних уметалів
електронів електронів, називають електронною провідністю. У разі підвищення температури кількість розірваних зв'язків, отже, і вільних електронів збільшується. При нагріванні від 300 до 700 До число вільних носіїв заряду збільшується від 10-17 до 10-24 1/м3. Це призводить до зменшення опору.
Діркова провідність.
При розриві зв'язку утворюється вакантне місце з недостатнім електроном.
Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд проти іншими, нормальними зв'язками. Положення дірки в кристалі не є незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один
з електронів, що забезпечують зв'язок атомів, перескакує на місце про-
що дісталися дірки і відновлює тут парноелектронний зв'язок.
а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким
Таким чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.
Якщо напруженість електричного поля у зразку дорівнює нулю то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається безладно і тому не створює електричного струму. За наявності електричного поля виникає впорядковане переміщення дірок, і, таким чином, до електричного струмувільних електронів додається електричний струм пов'язаний з переміщенням дірок. Напрямок руху дірок протилежно напрямку руху електронів.
Отже, у напівпровідниках є носії заряду двотипів: електрони та дірки. Тому напівпровідники мають не тільки електронну, а й дірочну провідність. Провідність за цих умов називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як мало число вільних електронів, наприклад, у Німеччині при кімнатній температурі ne = 3 на 10-23 см -3. У той же час число атомів германію в 1 см кубічному порядку 10-23. Таким чином, число вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдну частину від загального числа атомів.
Істотна особливість напівпровідників полягає в тому, що в них
за наявності домішок поряд з власною провідністю виникає
додаткова – домішкова провідність. Змінюючи концентрацію
домішки, можна значно змінювати кількість носіїв заряду того
чи іншого знака. Завдяки цьому можна створювати напівпровідники з
переважною концентрацією або негативно, або поклади-
тельно заряджених носіїв. Ця особливість напівпровідників відкрит-
дає широкі можливості для практичного застосування.
Донорні домішки.
Виявляється, що за наявності домішок, наприклад атомів миш'яку, навіть за дуже малої їх концентрації, кількість вільних електронів зростає в
багато разів. Відбувається це з наступних причин. Атомимиш'яка мають п'ять валентних електронів, чотири з них беруть участь у створенні ковалентного зв'язку даного атома з оточуючими, наприклад з атомами кремнію. П'ятий валентний електрон виявляється слабко пов'язаним з атомом. Він легко залишає атом миш'яку і стає вільним. Концентрація вільних електронів значно зростає, і у тисячу разів більше концентрації вільних електронів у чистому напівпровіднику. Домішки, що легко віддають електрони називають донорними, і такі напівпровідники є напівпровідниками n-типу. У напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.
Акцепторні домішки.
Якщо як домішки використовувати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника змінюється. Тепер для утворення нормальних парноелектронних зв'язків із сусідами атому не
дістає електрона. В результаті утворюється дірка. Числодірок в кріс-
талле дорівнює числу атомів домішки. Такого роду домішки-
зують акцепторними (приймають). За наявності електричного поля
дірки перемішуються по полю і виникає діркова провідність. По-
лупроводники з переважанням дірочкою провідності наделектрон-
ною називають напівпронодників р-типу (від слова positiv-позитивний).
2.Основні напівпровідникові прилади (Будова і застосування)
Існують два основні напівпровідникові прилади: діод і транзистор.
/>У час, що не стоїть, для випрямлення електричного струму в радіосхемах поряд з двоелектродними лампами все більше застосовують напівпровідниках діоди, так як вони мають ряд переваг. В електронній лампі носії заряду електрони виникають за рахунок нагрівання катода. У p-nпереході носії заряду утворюється при введенні в кристал акцепторної абодонорної домішки. Отже, тут відпадає необхідність джерела енергіїдля отримання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, що виходить за рахунок цього, виявляється досить значною. Крім того, напівпровідникові випрямлячі при тих же значеннях випрямленого струму більш мініатюрні, ніж лампові.
Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію. селену та іншихречовин. Розглянемо як створюється p-n перехід при використанні донної домішки, цей перехід не вдасться отримати шляхом механічного з'єднання двонапівпровідників різних типів, т.к. при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Ця товщина повинна бути не більше міжатомних відстаней. Тому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів індії індія в глиб монокристала германня біля поверхні германію перетворюється область з провідністю р-типу. Інша частина зразка германії, в яку атоми індмя нс проникли, як і раніше має проводиться n-типу. Між областями виникає p-n перехід. Напівпровідниковий діодегерманій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показано пряме (б) і зворотне (в) під'єднання діода.
Вольт-амперна характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.
Замінили лампи, що дуже широко використовуються в техніку, в основному для випрямлячів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.
транзистор.
Розглянемо один з видів транзистора з германію або кремнію з введеними в них донорними та акцепторними домішками. Розподіл домішок такий, що створюється дуже тонка (порядка декількох мікрометрів) прошарок напівпровідника n-типу між двома шарами напівпровідника р-типаріс. 3. Цей тонкий прошарок називають основою або базою. У кристалі утворюються два р-n-переходи, прямі напрямки яких протилежні. Трививоду від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор до схеми, зображеної на малюнку 3. При цьому включенні
лівий р-n перехід є прямим і відокремлює базу області з провідністю р-типу, звану емітером. Якби не було правого р-n -переходу, в ланцюзі емітер - база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1 і джерела змінного напря-
ження) і опору ланцюга, включаючи мале опір прямого пе-
Реходу емітер - база. Батарея Б2 включена так, що правий р-n-перехід у схемі (див. рис. 3) є зворотним. Він відокремлює базу від правої області з провідністю р-типу, що називається колектором. Якби не було лівого p-n-переходу, сила струму та ланцюга колектора була б близька до нуля. Оскільки опір зворотного переходу дуже великий. При створенні напруги в лівому р -n переході з'являється струм і в ланцюзі колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в емітері. носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і кількість основних носіїв (електронів) в ній невелика, що потрапили в неї дірки майже не поєднуються (не рекомбінують) з електронамібази і проникають н колектор за рахунок дифузії. Правий р-n-перехід закритий для основних носіїв заряду бази – електронів, але з дірок. У колектородирки захоплюються електричним полем і замикають ланцюг. Сила струму, що відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, оскільки площа перерізу бази в горизонтальній (див. рис. 3) площині набагато менше перерізу у вертикальній площині. Сила струму в колекторі, практично рівна силіструму в емітері, змінюється разом із струмом в емітері. Опір резистора R мало впливає на струм в колекторі, і цей опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела перемінної напруги, включеного в його ланцюг, ми отримаємо синхронну зміну напруги на резистори. При великому опір резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміну сигналу в цепіемітера. Це означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевищує потужність, що надходить у ланцюг емітера. Вони замінюють електронні лампи, широко використовуються в техніці.
3. Типи напівпровідникових приладів.
/> Крім площинних діодів рис 8 і транзисторів існують ще й точкові діоди рис 4,. Точкові транзистори (будова див на малюнку) перед зміною його формують тобто. пропускають струм певної величини, внаслідок чого під вістрям дроту утворюються область з дірковою провідністю. Транзистори бувають p-n-p та n-p-n типів. Позначення та загальний видно на рисунку 5.
Існують фото-і термо-резистори та варистори вигляд на малюнку. До площинних діодів відносяться селенові випрямлячі. Основою такого діода служить сталева шайба, покрита з одного боку шаром селену, що є напівпровідником з дірковою провідністю вид на рис 7 . Поверхностселена покрита сплавом кадмію, в результаті чого утворюється плівка, що володіє електронною провідністю, внаслідок чого утворюється перехід випрімлює струм. більше площа, тим більше струм, що випрімається.
4. Виробництво
/>Технологія виготовлення діодатакова. На поверхні квадратної пластинки площею 2-4 см у кв і товщиною за кілька часток міліметра, вирізаної з кристала напівпровідника з електронною провідністю, розплавляють шматочок індію. Індій міцно сплавляється спластинкою. При цьому атоми індію проникають (дифузують) в товщу пластинки, утворюючи в ній область з переважанням діркової провідності. різного типупровідності, а між ними p-n-перехід. Чим тонша пластинка напівпровідника. тим менше опір діода в прямому напрямку, тим більше виправлений діодом струм. Контактамидіода служать крапелька Індія та металевий диск або стрижень з вивіднимипровідниками
Після складання транзистора його монтують у корпус, приєднують ел. висновки до контактних пластин кристала та виведенням корпусу ігерметизують корпус.
5. Область застосування
Діоди мають велику надійність, але межа їх зміни від -70 до 125 С. Т.к. у точкового діода площа зіткнення дуже мала, тому струми, які можуть випрямляти такі діоди не більше 10-15 ма. І їх використовують в основному для модуляції коливань високої частоти та для вимірювальних приладів. Для будь-якого діода існують деякі гранично допустимі межі прямого і зворотного струму, що залежать від прямої та зворотної напруги і визначальні його випромляючі та міцнісні св-ва.
Транзистори, як і діоди, чутливі до температури і перевантаження і проникаючим випромінюванням. Транзистори на відміну від радіоламп згоряють від неправильного підключення.
Напівпровідниковий діодназивається не посилює сигналу електронний елемент з одним електронно-дірковим переходом та двома висновками від анодаї катода.
Діоди застосовуються в електронних схемахперетворення параметрів електричних сигналів (випрямлення, стабілізація). Діоди розрізняються за конструктивним виконанням ( точкові, площинні) і по умовного позначенняна схемах (залежно від функціонального призначення).
Принцип діїдіода ілюструє його вольтамперна характеристика,тобто. залежність струму від прикладеної напруги (Рис.1), з якої видно, що діод володіє односторонньою провідністю(Пропускає струм у прямому і практично не пропускає у зворотному напрямку).
Діод підключений у прямому напрямку, коли до анода А підключений позитивний, а до катода К – негативний полюс джерела струму. Цьому відповідає галузь характеристики першому квадранті. Через діод проходить великий прямий токI ПР.
При підключенні до зворотномунапрямі (плюс – до катода, мінус – до анода) зворотний токI ОБР, що проходить через діод, дуже малий (mkA).
При цьому прямий струм, як видно з рис. 1, суттєво залежить від температуринавколишнього середовища (збільшується із підвищенням температури).
Мал. 1. Вольтамперна характеристика діода.
Характеристики діода:
Крім розглянутої вольтамперної до основних характеристик діода відносяться:
Максимальний прямий струм I ПР ;
Температурна стійкість t 0 max ;
Максимальна зворотна напруга U KP .
Опір постійному струму R 0 = U ПР / I ПР ;
Опір змінному струму R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;
Крутизна вольтамперної характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;
Потужність втрат на аноді P A = U ПР I ПР ;
Область використання діодів: випрямлення змінного струму; стабілізація напруги; робота у фотоелектричних пристроях; робота у схемах НВЧ та ін.
Транзистори
Транзистори –напівпровідникові прилади з двома р-ппереходами, що дозволяють посилитиелектричний сигнал і зазвичай мають три висновки. Діляться на дві групи. біполярні та уніполярні(Польові). Основні схеми включення біполярного транзистора із загальною базою, із загальним емітером та із загальним колектором. Від виду схеми включення залежить, за яким параметром транзистор посилює сигнал (за напругою, струмом та ін.).
Біполярним транзисторомназивається напівпровідниковий прилад тришарової структури з типами провідності, що чергуються, і двома р-ппереходами, що дозволяє посилювати електричні сигнали і має три висновки. Розрізняють прямі (р-n-р) та зворотні (n-р-n)транзистори, різниця між якими полягає в полярностіпідключення джерел живлення
Складові частини транзистора відповідають його шарам і мають назви: емітер- Випромінювач зарядів, база– основа та колектор- Збирач зарядів. Шари мають
різною провідністю: крайні (емітер та колектор) - дірковийp, а база, що знаходиться між ними - електронноїn(Рис. 2).
Еміттер База Колектор
Iе Iдо
ВхідВихід
Мал. 2. Біполярний p- n- pтранзистор, включений за схемою із загальною базою
Розглянемо принцип дії транзистора. Як бачимо на рис. 2, транзистор має два переходи: p- nі n- p. Перший перехід ( p- n) включений у прямомунапрямі, тобто. мінус до n-області, а плюс до р– області – емітеру. Тому через цей перехід проходитиме прямий струм. Другий перехід ( n- p) включений у зворотномунапрямі, тобто. плюс до бази ( n- область), а мінус до р– області – колектору. Якщо розімкнути емітерний (вхідний) ланцюг, цей перехід, що знаходиться під зворотнимU Kвключенням буде практично закритий.
Якщо замкнути ланцюг емітера (подати вхідний сигнал), через перший (відкритий) p- nперехід потече прямий струм, утворений інжекцією дірок у основу. Оскільки товщина бази невелика, а напівпровідники, у тому числі виготовлені емітер і база, підібрані з різною концентрацією основних носіїв, тобто. концентрація дірок в емітері значно вища за концентрацію електронів у базі, дірок, що потрапили в базу виявиться так багато, що лише мала частина з них знайде в базі необхідні для рекомбінації електрони. Тому дірки, які не рекомбінували з електронами, починають переміщатися в ті області бази, які прилягають до колектора. Позитивні дірки, що підійшли до колекторного переходу, випробовуючи дію сильного поля, що прискорює, від потужної колекторної батареї U K, переходять у колектор і рекомбінують з електронами, що приходять в колектор негативного полюса батареї живлення. В результаті через колекторний перехід почне проходити колекторний струм I Kнезважаючи на те, що до переходу прикладена зворотна напруга. Цей колекторний струм становитиме 90 - 95% від емітерного (через невелику кількість рекомбінуючих і дірок, що залишилися в базі). Але найголовніше - це те, що величина колекторного струму залежатиме від величини струму емітера і змінюватиметься пропорційно до його зміни. Справді, що більше струм через емітерний перехід, т. е. що більше дірок впорскує емітер у основу, то більше вписувалося струм колектора, який залежить кількості цих дірок. Звідси випливає практично важливий висновок:
Керуючи емітерним струмом транзистора, можна тим самим керувати колекторним струмом, причому при цьому має місце ефект посилення.
Ця властивість визначила область використання транзисторів у схемах підсилювачів. Так, наприклад, розглянута схема включення транзистора із загальною базою даватиме посилення за напругою та потужністюсигналу, що підводиться, оскільки вихідний опір навантаження Rнпри відповідному підборі напруги батареї Uдоможе бути значно більше опору на вході підсилювача, тобто. R H >> R ВХ, а вхідний (емітерний I Е) та вихідний (колекторний I До) струми приблизно рівні. Звідси напруга та потужність, що підводяться до входу U ВХ = I ВХ * R ВХ ; Pвх= I 2 вх * Rвхменше відповідних значень напруги та потужності на виході, тобто у навантаженні U = I До * R Н ; Pн = I K 2 * RН. Посилення струму при цьому відсутнє (оскільки I Е ~ = I До).
Найчастіше, однак, застосовується інша схема включення транзистора. схема із загальним емітером,при якій, крім посилення потужності, має місце також посилення струму.Схема включення із загальним колекторомвикористовується при роботі на низькоомне навантаження або від високоомного датчика. Коефіцієнт посилення такої схеми струму і потужності становить кілька десятків одиниць, за напругою - близько одиниці.
Для правильного розуміння принципу роботи схем на транзисторах необхідно добре уявляти особливості роботи транзистора як підсилювача, що полягають в наступному: на відміну від електронної лампи транзистор має в більшості схем включення невисокий вхідний опір, внаслідок чого вважають, що транзистор управляється вхідним струмом, а не вхідним напругою; малий вхідний опір транзисторних підсилювачів призводить до помітного споживання потужності (струму) від джерела коливань, що посилюються, тому в цих підсилювачах основне значення має не посилення по напрузі, а посилення по струму або потужності; коефіцієнт посилення потужності k визначається ставленням потужності, виділеної на виході підсилювача в корисному навантаженні, до потужності, витраченої на вхідному опорі підсилювача; параметри та характеристики транзистора сильно залежать від температури та вибраного режиму, що є недоліком.
Характеристики транзисторів:
Вхідна, вихідна та перехідна характеристики, рис. 3,
Мал. 3. Характеристики транзистора: а – вхідна, б – вихідна, в – перехідна
Коефіцієнт посилення (передачі) в загальному вигляді, за напругою, струмом, потужністю
k=ΔΧ ВИХІВ /ΔΧ ВХ;ΔU ВИХІВ /ΔU ВХ;ΔI ВИХІВ /ΔI ВХ;ΔP ВИХІВ /ΔP ВХ.
Вхідний опір транзистора змінному струму
R = U ВХ / ΔI ВХ.
Потужність втрат на колекторі
P K = U K * I K .
Переваги транзисторів:малі габарити, висока чутливість, безінерційність; довговічність; недоліки: суттєвий вплив зовнішніх факторів (температури, е/м полів, радіоактивних випромінювань та ін.).
Область використаннятранзисторів: Дротовий та радіозв'язок; телебачення; радіолокація; радіонавігація; автоматика та телемеханіка; обчислювальна техніка; вимірювальна техніка; схеми підсилювачів; мікросхеми пам'яті цифрових пристроїв та ін.
