Сравнить полупроводниковые диод и транзистор. Полупроводниковые диоды и транзисторы, область применения
Полупроводниковым диодом называется не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анодаи катода.
Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные ) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).
Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью (пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).
Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI ПР.
При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).
При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температуры окружающей среды (увеличивается с повышением температуры).
Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.
Характеристики диода:
Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:
Максимальный прямой ток I ПР ;
Температурная стойкость t 0 max ;
Максимальное обратное напряжение U KP .
Сопротивление постоянному току R 0 = U ПР / I ПР ;
Сопротивление переменному току R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;
Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;
Мощность потерь на аноде P A = U ПР I ПР ;
Область использования диодов : выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.
Транзисторы
Транзисторы – полупроводниковые приборы с двумяр-п переходами, позволяющиеусилить электрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные (полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором . От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-п переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n) транзисторы, разница между которыми состоит вполярности подключения источников питания.
Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер – излучатель зарядов,база – основание иколлектор – собиратель зарядов. Слои обладают
различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p , а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).
Эмиттер База Коллектор
I э I к
Вход Выход
Рис. 2. Биполярный p - n - p транзистор, включенный по схеме с общей базой
Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p - n иn - p . Первый переход (p - n ) включен впрямом направлении, т.е. минус кn -области, а плюс кр – области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n - p ) включен вобратном направлении, т.е. плюс к базе (n - область), а минус кр – области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратным U K включением, будет практически закрыт.
Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p - n переход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе , дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испытывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU K , переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса батареи питания. В результате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI K , несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное - это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:
Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллекторным током, причем при этом имеет место эффект усиления.
Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощности подводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR н при соответствующем подборе напряжения батареиU к может быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R H >> R ВХ , а входной (эмиттерныйI Э ) и выходной (коллекторныйI К ) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU ВХ = I ВХ * R ВХ ; P вх = I 2 вх * R вх меньше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузкеU = I К * R Н ; P н = I K 2 * R Н . Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI Э ~ = I К ).
Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора - схема с общим эмиттером, при которой, кроме усиления мощности, имеет место такжеусиление тока. Схема включенияс общим коллектором используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению - около единицы.
Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в следующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k определяется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.
Характеристики транзисторов:
Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,
Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная
Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности
k=ΔΧ ВЫХ /ΔΧ ВХ;ΔU ВЫХ /ΔU ВХ;ΔI ВЫХ /ΔI ВХ;ΔP ВЫХ /ΔP ВХ.
Входное сопротивление транзистора переменному току
R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.
Мощность потерь на коллекторе
P K = U K * I K .
Достоинства транзисторов: малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки : существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).
Область использования транзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.
Подготовлено
Учеником 10 «А» класса
Школы № 610
Ивчиным Алексеем
Реферат на тему:
«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»
1. Полупроводники: теория и свойства
2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3. Типы полупроводниковых приборов
4. Производство
5. Область применения
1.Полупроводники: теория и свойства
Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.
Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней
оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные
с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно
четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью
паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании
этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко-
торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при
своем движении большую часть времени проводят в пространстве между
соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы
кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до
соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего
кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи
кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому
кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие
в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической
решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их
движение.
Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и
наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои
орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В
электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя
электрический ток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных
электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении
температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов
увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей
заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению
сопротивления.
Дырочная проводимость.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим
электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по
сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не
является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один
из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об-
разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь.
а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким
образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение
дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит
беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии
электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким
образом, к электрическому току свободных электронов добавляется
электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения
дырок противоположно направлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и
дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной
проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной
проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников
обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в
германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число
атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число
свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от
общего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи- тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры- вает широкие возможности для практического применения.
Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при
очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во
много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять
валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи
данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный
электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка
и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно
возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных
электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны
называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-
типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями
заряда, а дырки - неосновными.
Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то
характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования
нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис-
талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на-
зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля
дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По-
лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон-
ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.
Диод.
В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду
с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда
электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители
заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной
примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для
получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается
за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того,
полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более
миниатюрны, чем ламповые.
Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.
Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.
Транзистор.
Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в
них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что
создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка
полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3.
Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются
два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от
областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в
схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении
левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с
проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n
-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от
напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря-
жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе-
рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в
схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с
проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n-
перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как
сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в
левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в
коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения
между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки
проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку
толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней
невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с
электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-
переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для
дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь.
Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как
площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше
сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески
равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере.
Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это
сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с
помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы
получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом
сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч
раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление
напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы,
мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь
эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.
3. Типы полупроводниковых приборов.
Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные
диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед
пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины,
вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной
проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий
вид на рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К
плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода
служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося
полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена
покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая
электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий
ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.
4. Призводство
Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки
площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из
кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек
индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают
(диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием
дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя
областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше
пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом
направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат
капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы
к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.
5. Область применения
Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.
Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.
-----------------------
Рисунок 2
Рисунок 1
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 4
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования переменных колебаний, преобразования СВЧ колебаний в колебания промежуточной частоты, стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и т. д. По назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, варикапы, стабилитроны и др.
Выпрямительные диоды. Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Основу современных выпрямительных диодов составляет электронно-дырочный переход (ЭДП), который получают методом сплавления или диффузии. В качестве материала применяется германий или кремний.
Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используются ЭДП с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1-2 А/мм 2 .
Такие диоды называют плоскостными. Конструкция плоскостного полупроводникового диода малой мощности приведена на рис. 2.1, а. Для улучшения отвода тепла в диодах средней и большой мощности к их корпусу приваривается винт, с помощью которого диоды крепятся к специальному радиатору или шасси (рис. 2.1, б).
Основной характеристикой выпрямительного диода является еговольт-амперная характеристика (ВАХ). Вид ВАХ зависит от материала полупроводника и температуры (рис. 2.2, а и б).
Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:
постоянное прямое напряжение U np при заданном прямом токе ;
максимально допустимое обратное напряжение U o 6 p max , при котором диод еще может нормально работать длительное время;
постоянный обратный ток , протекающий через диод при обратном напряжении, равном U o 6 p max ;
средний выпрямленный ток , который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
максимально допустимая мощность , рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.
По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (), средней мощности () и большой мощности (). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.
Маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой последовательно соединенные выпрямительные полупроводниковые диоды, называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, в которых выпрямительные диоды соединяются по определенной (например, мостовой) схеме.
Выпрямительные полупроводниковые диоды способны работать на частотах 50... 10 5 Гц (силовые диоды - на частотах 50 Гц), т. е. являются низкочастотными.
Высокочастотные диоды. К высокочастотным относятся полупроводниковые диоды, способные работать на частотах до 300 МГц. Диоды, работающие на частотах свыше 300 МГц, называют сверхвысокочастотными (СВЧ).
С ростом частоты увеличивается шунтирование дифференциального сопротивления обратно смещенного ЭДП зарядной емкостью. Это приводит к уменьшению обратного сопротивления и ухудшению выпрямительных свойств диода. Так как значение зарядной емкости пропорционально площади ЭДП, то для ее уменьшения необходимо уменьшать площадь ЭДП.
Малую площадь перехода имеют микросплавные диоды, но их. недостатком является накопление в базе неосновных носителей заряда, инжектируемых в нее при прямом включении диода. Это ограничивает быстродействие (частотный диапазон) микросплавных диодов.
Лучшим быстродействием обладают и, следовательно, более высокочастотными являются точечные диоды, способные работать в диапазоне СВЧ. В их конструкции металлическая пружинка диаметром около 0,1 мм острием прижимается к кристаллу полупроводника. Материал пружинки подбирается таким, чтобы работа выхода электронов из него была больше, чем из полупроводника. При этом на границе металл-полупроводник образуется запирающий слой, называемый барьером Шоттки - по имени немецкого ученого, исследовавшего это явление. Диоды, работа которых основана на использовании свойств барьера Шоттки, называются диодами Шоттки. В них электрический ток переносится основными носителями заряда, вследствие чего отсутствуют явления инжекции и накопления неосновных носителей заряда.
Высокочастотные и СВЧ диоды применяются для выпрямления высокочастотных колебаний (выпрямительные), детектирования (детекторные), управления уровнем мощности (переключательные), умножения частоты (умножительные) и других нелинейных преобразований электрических сигналов.
Варикапы. Варикапами называют полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Варикапы используются в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Характер зависимости показан на рис. 2.3, а. Эту зависимость называют вольт-фарадной характеристикой варикапа. Основными параметрами
варикапов являются:
номинальная емкость измеренная при заданном обратном напряжении ;
коэффициент перекрытия емкости Кс, определяемый отношением емкостей варикапа при двух значениях обратного напряжения;
максимально допустимое обратное напряжение ;
добротность Q B определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.
Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковым стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.
ВАХ стабилитрона показана на рис. 2.4, а, а условное обозначение - на рис. 2.4, б.
Если ЭДП создать с двух сторон кремниевой пластины, то получится стабилитрон с симметричной ВАХ - симметричный стабилитрон (рис. 2.4, в).
Рабочим участком стабилитрона является участок электрического пробоя. При изменении тока, протекающего через стабилитрон, от значения до значения . напряжение на нем мало отличается от значения На этом свойстве основано использование стабилитронов.
Принцип работы стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне (рис. 2.4, г) заключается в том, что при изменении напряжения U ВХ изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке R практически не меняется.
Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:
напряжение стабилизации U ст;
минимальный и максимальный токи стабилизации;
максимально допустимая рассеиваемая мощность
дифференциальное сопротивление на участке стабилизации ;
температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации
У современных стабилитронов напряжение стабилизации лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабилизации от 1 мА до 2 А. Для стабилизации напряжений менее 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором. У стабисторов В. Путем последовательного соединения стабилитронов (или стабисторов) можно получить любое требуемое напряжение стабилизации.
Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации примерно постоянно и для большинства стабилитронов составляет 0,5...200 Ом. Температурный коэффициент напряжения может быть положительным (у стабилитронов с ) и отрицательным (у стабилитронов с U CT < 6 В) и для большинства стабилитронов находится в пределах (- 0,5... + 0,2) %/°С.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярным транзистором (БТ) или просто транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими ЭДП и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Электронно-дырочные переходы образуются между тремя областями полупроводника с различными типами электропроводности. В соответствии с порядком чередования р- и n-областей БТ подразделяются на транзисторы типа р- п - р и транзисторы типа п-р - п (рис. 2.5).
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область - эмиттером (Э), а другая - коллектором (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе. У БТ типа п - р - п база имеет электропроводность р-типа, а эмиттер и коллектор - n-типа.
ЭДП, образованный между эмиттером и базой, называют эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.
Режимы работы транзистора. В зависимости от способа подключения эмиттерного и коллекторного ЭДП к источникам питания биполярный транзистор может работать в одном из четырех режимов: отсечки, насыщения, активном и инверсном.
Эмиттерный и коллекторный ЭДП в режиме отсечки (рис. 2.6, а) смещаются в обратном, а в режиме насыщения (рис. 2.6, 6) - в прямом направлениях. Коллекторный ток в этих режимах практически не зависит от напряжения и тока эмиттера.
Режимы отсечки и насыщения используются при работе БТ в импульсных и ключевых устройствах.
При работе транзистора в активном режиме его эмит-терный переход смещается в прямом, а коллекторный - в обратном направлении (рис. 2.6, в).
Под действием прямого напряжения 11эь в эмиттерной цепи протекает ток , создающий токи коллектора и базы , так что
Коллекторный ток содержит две составляющие: управляемую , пропорциональную току эмиттера, и неуправляемую , создаваемую дрейфом неосновных носителей через обратно смещенный коллекторный переход. Коэффициент пропорциональности называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для большинства современных БТ и более.
Ток базы включает в себя рекомбинационную составляющую , обусловленную электронами, поступающими в базу для компенсации положительного заряда рекомбинирующих в базе дырок, и неуправляемую составляющую коллекторного тока , так что
При использовании БТ в качестве усилительного элемента один из выводов должен быть общим для вход-ной и выходной цепей. В схеме, приведенной на рис. 2.6, в, общим электродом является база. Такую схему включения БТ называют схемой с общей базой (ОБ) и обычно изображают так, как показано на рис. 2.7, а. Кроме схемы ОБ, на практике также применяются схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).
В схеме ОЭ (рис. 2.7, б) связь между выходным и входным токами определяется уравнением
Коэффициент называется статическим коэффициент-том передачи тока базы. Он связан с коэффициентом соотношением
При значения находятся в пределах 19...99.
Составляющая представляет собой обратный (неуправляемый) ток коллектора в схеме ОЭ. Этот ток связан с обратным током в схеме
ОБ соотношением
Из соотношения (2.4) следует, что обратный ток коллектора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Это означает, что изменение температуры в схеме ОЭ в большей степени влияет на изменение токов (а значит, и на изменение статических характеристик и параметров), чем в схеме ОБ. Это один из недостатков включения БТ по схеме ОЭ.
При включении БТ по схеме ОК. (рис. 2.7, в) связь между выходным и входным токами определяется соотношением
Из сравнения выражений (2.2) и (2.5) следует, что зависимости между входными и выходными токами БТ в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы. Это позволяет для расчета схем ОЭ и ОК использовать одинаковые характеристики и параметры.
Инверсный режим отличается от активного противоположной полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному ЭДП.
Статические характеристики. Статические характеристики выражают сложные связи между токами и напря
жениями электродов транзистора и зависят от способа его включения.
|
На рис. 2.8, а показано семейство входных характеристик БТ типа n - р - n, включенного по схеме ОЭ, которые выражают зависимость при . При входная характеристика представляет собой
прямую ветвь ВАХ эмиттерного ЭДП. При положительном напряжении коллектора входная характеристика смещается вправо.
Выходные характеристики (рис. 2.8, б) отражают зависимость при . Крутой участок характеристик соответствует режиму насыщения, а пологий - активному режиму. Зависимость между коллекторным и базовым токами на пологом участке определяется выражением (2.2).
Малосигнальные параметры статического режима. При работе транзистора в усилительном режиме его свойства определяются малосигнальными параметрами, для которых транзистор можно считать линейным элементом. На практике наибольшее применение получили малосигнальные гибридные или h-параметры. Токи и напряжения при малых амплитудах переменных составляющих в системе h-параметров связаны следующими соотношениями:
- входное сопротивление;
- коэффициент обратной связи по напряжению
- коэффициент прямой передачи по току;
- выходная проводимость.
Параметры и измеряются в режиме короткого замыкания выходной цепи, а параметры и - в режиме холостого хода входной цепи. Эти режимы легко реализуются. Значения h-параметров зависят от способа включения транзистора и на низких частотах могут быть определены по статическим характеристикам. При этом амплитуды малых токов и напряжений заменяются при-ращениями. Так, например, при включении транзистора по схеме с ОЭ формулы для параметров и , определяемых по входным характеристикам в точке А (рис. 2.8, а), записываются в виде:
Параметры и определяются по выходным (рис. 2.8, б) характеристикам по формулам:
Аналогично определяются -параметры при включении транзистора по схеме с ОБ.
Малосигнальные параметры и соответственно называются коэффициентами передачи тока эмиттера и тока базы. Они характеризуют усилительные свойства транзистора по току для переменных сигналов, а их значения зависят от режима работы транзистора и от частоты усиливаемых сигналов. Так, с увеличением частоты уменьшается модуль коэффициента передачи тока базы
Частота, на которой уменьшается в раза по сравнению с его значением на низкой частоте, называется предельной частотой передачи тока базы и обозначается . Частота, на которой уменьшается до 1, называется граничной частотой БТ и обозначается . По значению граничной частоты транзисторы подразделяются на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
ТИРИСТОРЫ
Тиристором называют полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который имеет три и более перехода и может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
Тиристоры с двумя выводами называют диодными или динисторами, а с тремя выводами - триодными или тринисторами.
Динисторы. Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимися типами электропроводности , между которыми образуются три ЭДП. Крайние ЭДП являются эмиттер-ными, а средний - коллекторным. Область называют эмиттером или анодом, область - катодом.
Подключение анода динистора к положительному полюсу внешнего источника , а катода - к отрицательному соответствует прямому включению динистора. При обратной полярности напряжения источника имеет место обратное включение.
При прямом включении динистор можно представить в виде комбинации двух транзисторов р - n - р и n - р - n (рис. 2.9, а) с коэффициентами передачи эмиттерного тока и .
Ток , протекающий через динистор, содержит дырочную инжекционную составляющую транзистора , электронную инжекционную составляющую транзистора и обратный ток коллекторного перехода, т. е.
Пока , динистор закрыт. При в динисторе развиваются процессы, приводящие к лавинообразному увеличению инжекционных составляющих тока и переключению коллекторного перехода в прямое направление. При этом сопротивление дини- стора резко уменьшается и падение напряжения на нем не превышает 1-2 В. Остальное напряжение источника падает на ограничительном резисторе (рис. 2.9, б).
При обратном включении динистора через него про- текает небольшой обратный ток.
Тринисторы. Тринистор отличается от динистора на- личнем дополнительного управляющего вывода от базо-вой области (рис. 2.10, а). Вывод может быть сделан от любой базы. Источник подключенный к этому выводу, создаёт
ток управления , который складывается с основным током. В результате переключение тринистора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем значении U a (рис. 2.10, б).
В пятислойных структурах путем соответствующего выполнения крайних областей можно получить симметричную ВАХ (рис. 2.10, в). Такой тиристор называют симметричным. Он может быть диодным (диак) или триодным (триак).
Выключение тиристора осуществляется уменьшением (или прерыванием) анодного тока или изменением полярности анодного напряжения.
Рассмотренные тиристоры называются незапираемыми. Существуют также запираемые тиристоры, которые из открытого состояния в закрытое могут быть переведены изменением тока управляющего электрода. Они отличаются от незапираемых конструкцией.
Параметры тиристоров. Основными параметрами тиристоров являются:
напряжение включения ;
отпирающий ток управления ;
ток выключения ;
остаточное напряжение U np ;
время включения t вкл;
время выключения ;
время задержки t 3 ;
максимальные скорости нарастания прямого напряжения (du/dt) max и прямого тока (di/dl) max .
Тиристоры широко применяются в управляемых выпрямителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное (инверторах), стабилизаторах напряжения,
в качестве бесконтактных переключателей, в электроприводах, устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной техники и т. д.
Условные графические обозначения тиристоров показаны на рис. 2.11.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевой транзистор (ПТ) - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал, и который управляется электрическим полем.
Управляющий электрод, изолированный от канала, называют затвором. По способу изоляции затвора полевые транзисторы делятся на три типа:
1) с управляющим р - n-переходом, или с р - т-затвором;
2) с металлополупроводниковым затвором, или с затвором Шоттки;
3) с изолированным затвором.
Полевые транзисторы с р - n-затвором. В полевом транзисторе с р- n-затвором (рис. 2.12) канал n-типа изолирован от подложки и затвора р-n-пере-
ходами, которые вследствие выполнения условия образуются, в основном, в канале. При толщина канала наибольшая, и его сопротивление минимальное. Если на затвор подать по отношению к источнику отрицательное напряжение , то р - n-переходы расширятся, толщина канала уменьшится, а его сопротивление возрастет. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения , то силой тока I с, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа ПТ с р - n-затвором.
Основными статическими характеристиками ПТ с р - n-затвором являются передаточные (сток-затворные) и выходные (стоковые) характеристики (рис. 2.13).
Напряжение затвора, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока уменьшается до десятых долей микроампера, называют напряжением отсечки и обозначают .
Ток стока при U 3И = 0 называют начальным током стока.
Выходные характеристики содержат крутую, или омическую, и пологую области. Пологая область называется также областью насыщения или областью перекрытия канала.
Ток стока, протекая через канал, создает на его распределенном сопротивлении падение напряжения, которое увеличивает обратные напряжения канал-затвор и канал-подложка, что приводит к уменьшению толщины канала. Наибольшего значения обратные напряжения достигают у границы со стоком, и в этой области сужение канала оказывается максимальным (рис. 2.12). При некотором значении напряжения происходит смыкание обоих р- n-переходов в области стока и перекрытие канала. Такое напряжение стока называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения (). При подаче на затвор обратного напряжения происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения .
Полевые транзисторы с затвором Шоттки. В ПТ с затвором Шоттки управление сопротивлением канала осуществляется изменением под действием напряжения затвора толщины выпрямляющего перехода, образованного на границе между металлом и полупроводником. По сравнению с р - n-переходом выпрямляющий переход металл - полупроводник позволяет существенно уменьшить длину канала: до 0,5...1 мкм. При этом значительно уменьшаются и размеры всей структуры ПТ, вследствие чего ПТ с барьером Шоттки способны работать на более высоких частотах - до 50...80 ГГц.
Полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами.
Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом p-типа (рис. 2.14) области стока и истока р-типа образуют с n-областью подложки два встречно
включенных ЭДП, и при подключении к ним источника любой полярности ток в цепи будет отсутствовать. Если же на затвор относительно истока и подложки подать отрицательное напряжение, то при достаточном значении этого напряжения в приповерхностном слое полупроводника, расположенном под затвором, произойдет инверсия типа электропроводности и р-области стока и истока окажутся соединенными каналом р-типа. Такое напряжение затвора называют пороговым и обозначают . С увеличением отрицательного напряжения затвора увеличивается глубина проникновения инверсионного слоя в полупроводник, что соответствует увеличению толщины канала и уменьшению его сопротивления.
Передаточные и выходные характеристики МДП-тран-зистора с индуцированным каналом р-типа представлены на рис. 2.15. Падение напряжения на сопротивлении канала уменьшает напряжение между затвором
и каналом и толщину канала. Наибольшее сужение канала будет у стока, где напряжение оказывается наименьшим .
В МДП-транзисторах со встроенным каналом между областями стока и истока уже в стадии изготовления создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, какую имеют сток и исток. Поэтому в таких транзисторах ток стока , называемый начальным, протекает и при .
Статические выходные и передаточные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рис. 2.16.
Дифференциальные параметры ПТ. Кроме рассмотренных выше параметров, свойства ПТ характеризуются дифференциальными параметрами: крутизной передаточной характеристики, или крутизной ПТ; дифференциальным сопротивлением и статическим коэффициентом усиления.
Крутизна ПТ при характеризует усилительные свойства транзистора и для маломощных транзисторов обычно составляет несколько мА/В.
Дифференциальное сопротивление при представляет собой сопротивление канала ПТ переменному току.
Крутизну ПТ можно определить по статическим выходным или передаточным характеристикам (рис. 2.16) на основании выражения
а дифференциальное сопротивление - по выходным характеристикам в соответствии с выражением
Статический коэффициент усиления при обычно рассчитывается по формуле .
Условные графические обозначения полевых транзисторов показаны на рис. 2.17.
Полевые транзисторы используются в усилителях с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, а также в управляемых аттенюаторах в качестве элемента, сопротивление которого изменяется под действием управляющего напряжения.
Похожая информация.
1. Полупроводники: теория и свойства
2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3. Типы полупроводниковых приборов
4. Производство
5. Область применения
1.Полупроводники: теория и свойства
Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.
Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней
оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные
с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно
четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью
паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании
этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко-
торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при
своем движении большую часть времени проводят в пространстве между
соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними,
и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.
Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и
наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных
электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.
Дырочная проводимость.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один
из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об-
разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь.
а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким
образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них
при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает
дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию
примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того
или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с
преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи-
тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры-
вает широкие возможности для практического применения.
Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во
много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.
Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис-
талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на-
зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля
дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По-
лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон-
ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.
В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.
Привет всем читателям "Радиосхем ", меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды - не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.
Вы знаете как работает простой проводник - ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор - это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки - это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Теперь разберёмся - как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.
Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.
Полупроводниковые диоды
Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p - это positive (позитив, положительный), n - negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да - мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p - положительный является анодом, n - отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска - она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.
Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток - это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.
Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.
Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия - сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону - это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.
Биополярные и полевые транзисторы
Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а полевые пока не будем трогать - отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура - это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод - эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод - коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть "n", дальше эмиттер - принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.
Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать - транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.
Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n.
На этом статья закончена, если что-то не понятно - обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын .
Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ