Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двух-
электродной лампы - диода.Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом образуется слой, обладающий р-проводимостью. На границе этого слоя образуется р-п-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов(выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.
p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей,
получили название полупроводниковых триодов или транзисторов. Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других
полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева(например, верхний предел рабочей
температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 - 80 °С).Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью. Транзистор состоит из базы (средняя часть транзистора), эмиттера и коллектора (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводи-
мости). Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором - постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подает-
ся на входное сопротивление , а усиленное снимается с выходного сопротивления. Протекание тока в цепи эмиттера
обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их впрыскиванием - инжекцией - в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщи-
не базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, вся-
кое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора. Транзистор, подобно электронной лампе,
дает усиление и напряжения, и мощности.
25.(Сила Лоренца. Работа силы Лоренца. Эффект Холла)
Сила, действующая на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростьюV, называется силой Лоренца и выражается формулой ,где В - индукция магнитного поля, в котором заряд движется.
Модуль силы Лоренца , где α - угол между v и В. Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не меняя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца
работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется. Если на движущийся электрический
заряд помимо
магнитного поля с индукцией В
действует и
электрическое поле с напряженностью
Е,
то
результирующая сила F,
приложенная
к заряду, равна векторной сумме сил -
силы, действующей со стороны электрического
поля, и силы Лоренца:
Направление
силы Лоренца и направление вызываемого
ею отклонения заряженной частицы в
магнитном поле зависят от знака заряда
Q
частицы.
Эффект Холла (1879) - это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью j, помещенном в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном В к j. Поместим металлическую пластинку с током плотностью j в магнитное
поле В, перпендикулярное j .При данном направлении j скорость носителей тока в металле - электронов - направлена справа налево. Электроны испытывают действие силы Лоренца, которая в данном случае направлена вверх. Таким образом, у верхнего края пластинки возникнет повышенная концентрация электронов (он зарядится отрицательно), а у нижнего - их недостаток (зарядится положительно). В результате этого между краями пластинки возникнет дополнительное поперечное электрическое поле Ев, направленное снизу вверх. Когда напряженность Ев этого поперечного поля достигнет такой величины, что его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении.
Тогдагде а - ширина пластинки; ∆ф - поперечная (холловская) разность потенциалов.
Учитывая, что сила тока I = jS =nevS (S - площадь поперечного сечения пластинки толщиной d, n - концентрация электронов, v - средняя скорость упорядоченного движения электронов,j-плотность тока=env), получимт.е. холловская поперечная разность потенциалов пропорциональна магнитной индукции В, силе тока / и обратно пропорциональна толщине пластинки d.
- постоянная Холла, зависящая от вещества.По измеренному значению постоянной Холла можно: 1) определить кон-
центрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряде носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников, так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда е носителей тока. Поэтому эффект
Холла - наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках.
Подготовлено
Учеником 10 «А» класса
Школы № 610
Ивчиным Алексеем
Рефератна тему:
«Полупроводниковыедиоды и транзисторы, области их пременеия»
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3.Типы полупроводниковых приборов
4.Производство
5. Областьприменения
1.Полупроводники: теория и свойства
Сначала надо познакомиться с механизмомпроводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связейудерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примерарассмотрим кристалл кремния.
Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней
оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительнослабо связанные
с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремниятакже равно
четырем. Взаимодействие пары соседних атомовосуществляется с помощью
паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. Вобразовании
этой связи от каждого атома участвуют по одномувалентному электрону, ко-
торые отщепляются от атомов (коллективизируютсякристаллом) и при
своем движении большую часть времени проводят впространстве между
соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживаетположительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связис соседними,
и любой валентный электрон может двигаться по одной изних. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальшевдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах неразрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрическийток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны ккристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметноговлияния на их движение.
Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и
наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. Вэлектрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрическийток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием уметаллов свободных
электронов электронов, называют электроннойпроводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, исвободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К числосвободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Этоприводит к уменьшению сопротивления.
Дырочная проводимость.
При разрыве связи образуется вакантное место снедостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточныйположительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положениедырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующийпроцесс. Один
из электронов, обеспечивающих связь атомов,перескакивает на место об-
разовавшиеся дырки и восстанавливает здесьпарноэлектронную связь.
а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новаядырка. Таким
образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равнанулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов,происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличииэлектрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, такимобразом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрическийток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположнонаправлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двухтипов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не толькоэлектронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условияхназывают собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимостьполупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов,например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то жевремя число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом,число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть отобщего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит втом, что в них
при наличии примесей наряду с собственной проводимостьювозникает
дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию
примеси, можно значительно изменять число носителейзаряда того
или иного знака. Благодаря этому можно создаватьполупроводники с
преимущественной концентрацией либо отрицательно, либоположи-
тельно заряженных носителей. Эта особенностьполупроводников откры-
вает широкие возможности для практического применения.
Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомовмышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электроноввозрастает во
много раз. Происходит это по следующей причине. Атомымышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в созданииковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния.Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидаетатом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электроновзначительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободныхэлектронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называютдонорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. Вполупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки -неосновными.
Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомыкоторого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперьдля образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Числодырок в крис-
талле равно числу атомов примеси. Такого рода примесина-
зывают акцепторными (принимающими). При наличииэлектрического поля
дырки перемешаютс по полю и возникает дырочнаяпроводимость. По-
лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости надэлектрон-
ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv- положительный).
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение иприменение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов:диод и транзистор.
/>В нястояшее время для выпрямления электрическигйтока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяютполупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электроннойлампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-nпереходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной илидонорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергиидля получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того,полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока болееминиатюрны, чем ламповые.
/> Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и другихвеществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорнойпримеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двухполупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большойзазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомныхрастояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствиедиффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхностигермания преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образцагермании, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диодегерманий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) иобратное (в) подсоеденение диода.
Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратномсоединении показана на рисунке 2.
Заменили лампы, очень широко используются в техники,в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.
Транзистор.
/>Рассмотрим один из видов транзистора из германия иликремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределениепримесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров)прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типарис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристаллеобразуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Тривывода от областей с различными типами проводимости позволяют включатьтранзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении
левый р-n переход является прямым и отделяет базу отобласти с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р–n -перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряженияисточников (батареи Б1 и источника переменного напря-
жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивлениепрямого пе-
/>рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так,что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базуот правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы небыло левого p-n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю.Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании жетока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила токав коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжениямежду эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дыркипроникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-сколькутолщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико,попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронамибазы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт дляосновных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторедырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока,ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечениябазы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальнойплоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере,изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R />мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивлениеможно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источникапеременного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменениенапряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменениенапряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепиэмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получитьэлектрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность,поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используютсяв технике.
3.Типы полупроводниковых приборов.
/>Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторовсуществуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см нарисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определеннойвеличины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочнойпроводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий видна рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид нарисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такогодиода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена,являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхностселена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающаяэлектронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющийток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.
4. Призводство
/>Технология изготовления диодатакова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной внесколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электроннойпроводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется спластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки,образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получаетсяполупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а междуними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивлениедиода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактамидиода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводнымипроводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус,присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса игерметизируют корпус.
5. Область применения
/> Диоды обладают большойнадежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечногодиода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могутвыпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном длямодуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любогодиода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратноготока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи еговыпремляющие и прочностные св-ва.
Транзисторы, как и диоды, чувствительны ктемпературе и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие отрадиоламп сгорают от неправильного подключения.
Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, обладающий односторонней проводимостью. В основе его конструкции лежит равновесный р -n переход. По характеру образования перехода диоды делятся на точечные и плоскостные.
Для преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний широкое применение нашли полупроводниковые триоды – транзисторы . Для работы транзистора необходимо иметь два электронно-дырочных перехода, в качестве полупроводника часто используется германий.
В транзисторах, использующих n-р-n переход, полупроводник р -типанаходится между полупроводниками n -типа, Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рисунке 2.7.
Рис. 2.7. Принцип устройства транзистора и изображение транзисторов на схемах.
В данном транзисторе n-р-n типа имеется средняя область с дырочной проводимостью, и две крайние области с электронной проводимостью. Средняя область транзистора называется - базой , одна крайняя область – эмиттером, другая –коллектором. Таким образом, в транзисторе имеется два n-р перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. На схематических изображениях транзисторов стрелка показывает направление тока (условное, от плюса к минусу) в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.
Рассмотрим работу транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е 1 и Е 2 (рис 2.8).
Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е 1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллеткторного перехода велико, и напряжение Е 2 обычно составляет единицы или десятки вольт.
Рис. 2.8. Движение электронов и дырок в транзисторе n-р-n типа.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер, существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером Е 1 , т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Е 1 понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i э . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружочками со знаками « + » и « – ». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т.е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника Е 1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов.
Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода.
Под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т.е. ток коллектора i к .
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но на транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем мощность, рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в таком случае называют симметричными ), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа n-p-n. Подобные же процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов.
Наиболее распространены три способа включения транзисторов:
- схема с общей базой , когда вход эмиттера и выход коллектора
подключены к общей базе;
- в схеме с общем эмиттером выходная цепь коллектора
подключается к эмиттеру вместо базы;
- схема с общим коллектором , иначе называемая эмиттернымповторилем.
Вывод: 1. Наличие примесей в полупроводниках обуславливает нарушение равенства между количеством дырок и электронов, и электрический ток будет создан преимущественно зарядами одного знака в зависимости оттого, что преобладает в полупроводнике.
2. В основе конструкции любого полупроводникового прибора лежат равновесные р -n переходы.
Классификация полупроводниковых приборов и их назначение.
В промышленной электронике используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые можно разделить на несколько основных групп: 1) полупроводниковые резисторы; 2) полупроводниковые диоды; 3) биполярные транзисторы; 4) полевые транзисторы; 5) тиристоры.
Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы-трехэлектродными приборами. Тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трехэлектродными.
В полупроводниковых резисторах применяют изотропный (однородный) полупроводниковый материал, электрические свойства которого определяют электрические характеристики резистора. В полупроводниковых диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один р-n-переход. Электрические характеристики диода определяются в основном электрическими свойствами p-n-перехода.
В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два р-n -перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих р-п-переходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупроводниках с различными типами электропроводности, которые образуют один р-n -переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с р-n -переходом.
В тиристорах применяют полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три или более р- n -перехода. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих р- n -переходов.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два вывода.
Классификация и условное графическое обозначение полупроводниковых диодов приведены в табл. 2.2. Как видно из таблицы, все полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.
В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм 2 ; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис, 2.5), образующая р- n -переход в месте контакта.
Вольт-амперные характеристики точечного диода при различных температурах приведены на рис.
Из-за малой площади контакта прямой ток и междуэлектродная емкость таких диодов сравнительно невелики, что позволяет применять их в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды служат в основном для выпрямления переменного тока (выпрямительные диоды).
В плоскостных диодах р-n -переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).
По способу внесения примесей диоды делят на сплавные и диффузионные.
Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками р-n -перехода. В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные характеристики р-n –перехода.
Рассмотрим более подробно типы и характеристики различных плоскостных диодов.
Выпрямительный диод- полупроводниковый прибор, в котором так же, как и в точечном диоде, используются выпрямительные свойства р-n -перехода.
Конструкция мощного выпрямительного диода показана на рис. 2.7. Маломощные выпрямительные диоды, а также выпрямительные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют, как правило, конструкцию, аналогичную точечным диодам.
Вольтамперная характеристика мощного выпрямительного диода приведена на рис. 2.8.
Благодаря большой площади перехода плоскостные диоды рассчитаны на большой прямой ток. Обычно прямое напряжение диода не превышает 1-2 В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1-10 А/мм2, что вызывает некоторое повышение его температуры. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85-100° С. Кремниевые диоды могут работать при температуре 150-200° С.
При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток (рис. 2.8), обусловленный движением неосновных носителей заряда через р-n -переход.
При повышении температуры р-n -перехода число неосновных носителей заряда увеличивается за счет перехода часта электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.
В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейший рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n -перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7-0,8) U проб. Даже кратковременное повышение обратного напряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р-n -перехода и выходу диода из строя.
Основными параметрами точечных и плоскостных выпрямительных диодов являются: прямой ток диода I пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно 1-2 В). Максимально допустимый прямой ток диода I пр max , максимально допустимое обратное напряжение диода U обр max ; обратный ток диода I обр, который нормируется при максимальном обратном напряжении U обр max . Параметры различных выпрямительных диодов приведены в табл.
Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.
Полупроводниковый стабилитрон работает на участке электрического пробоя р-n -перехода. Для предотвращения теплового пробоя конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от р-n -перехода. Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис.
Как видно из рис., в области пробоя напряжение на стабилитроне U CT лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I CT . Такую характеристику стабилитрона применяют для получения стабильного напряжения, например в параметрических стабилизаторах напряжения.
Основными параметрами полупроводникового стабилитрона являются: стабилизирующее напряжение U CT ; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = d U CT /dI CT ; минимальный ток стабилитрона I ст min ; максимальный ток стабилитрона I ст max ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKU = d U CT /dT 100%.
Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р-n перехода.
Туннельный диод - полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости (см. рис.).
В качестве рабочей используют прямую ветвь в. а. х.
Материалом для туннельных диодов служит сильно легированный германий или арсенид галлия.
Основными параметрами туннельного диода являются: ток пика Iп (кривая1 на рис.) и отношение тока пика к току впадины Iп/Iв. Для выпускаемых отечественной промышленностью диодов Iп = 0,1-100 мА, а Iп / Iв =5 - 20.
Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и быстродействующих импульсных переключателях.
Обращенный диод - разновидность туннельного диода, у которого ток пика Iп = 0 (кривая 2 на рис.). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение Uпр < 0,3 В, то пряой ток диода Iпр = 0, в то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток диода достигает нескольких миллиампер в результате туннельного пробоя. Таким образом, обращенный диод обладает вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где обычные выпрямительные диоды этими свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току.
Обращенные диоды применяют, как и туннельные диоды в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.
Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости
р-n -перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой величиной емкости. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис.
Основными параметрами варикапа являются: общая емкость варикапа Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uo6p = 2-5 В; коэффициент перекрытия по емкости Кс = Cmax/Cmin, Для большинства варикапов Св = 10-500 пФ, а коэффициент перекрытия по емкости Кс = 5-20.
Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.
Ф о.т о д и о д, фотоэлемент полупроводниковый, светодиод - полупроводниковые диоды, использующие эффект взаимодействия излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-n перехода.
Основным элементом большинства полупроводниковых элементов является p-n переход.
р-n переходом называется область на границе полупроводников р и n типов.
Условно р-n переход можно показать следующим образом:
Опыт 12.3. Полупроводниковый диод.
Цель работы: Изучить принцип работы полупроводникового диода.
Оборудование:
- Источник регулируемого переменного напряжения
- Осциллограф
- Стенд со схемой
Ход работы.
1. Установка состоит из источника регулируемого переменного напряжения, осциллографа и стенда со схемой. Переменное напряжение от источника подается на вход стенда. На экране осциллографа наблюдается синусоида. Если увеличивать или уменьшать подаваемое напряжение, то, соответственно, увеличивается или уменьшается амплитуда синусоидального сигнала, видимого на экране осциллографа.
2. Изучим характер тока, протекающего через диод. Напряжение, попадающее на стенд, подается на края цепочки, состоящей из последовательно соединенных сопротивления и диода. В результате через цепочку идет уже не переменный ток, а пульсирующий, поскольку диод выпрямляет ток. Он пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. На схеме диод изображается таким образом, что острие треугольника, на данном этапе оно направлено вверх, указывает направление тока проходящего через диод. Для того, чтобы выяснить, каков характер тока, проходящего через диод, на вертикальный усилитель подается напряжение, которое снимается с концов сопротивления. Это напряжение пропорционально току, текущему через сопротивление. Наблюдают, что ток через диод действительно течет только в одном направлении. Полпериода ток отсутствует - горизонтальные участки, полпериода ток идет. Это половинки синусоид, которые смотрят вниз. Но если менять величину напряжения, подаваемую на вход стенда, будет меняется и величина тока, текущего через диод. Диод извлекают из стенда (сигнал на экране осциллографа пропал). Если повернуть диод на 180 градусов, острие треугольника на схеме будет направлено вниз, т.е. изменится направление тока, протекающего через диод. После установки диода на стенде вновь появляется сигнал на экране осциллографа, однако теперь уже те полпериода, которые соответствуют протеканию тока через диод, отображаются половинками синусоиды, направленными вверх.
3. Вольт-амперная характеристика диода – зависимость между током, протекающим через диод, и напряжением, которое подается на диод. Ток, протекающий через диод, по-прежнему пропорционален напряжению на концах сопротивлений. Это напряжение подается на вертикальный вход осциллографа, а на горизонтальный - напряжение с концов этой цепочки, оно пропорционально напряжению на диоде. В результате на экране осциллографа наблюдается вольт-амперная характеристика диода. Полпериода тока нет, это горизонтальный участок этой характеристики, и полпериода ток идет. Здесь в определенной степени выполняется закон Ома. Величина тока, текущего через диод, пропорциональна напряжению, подаваемому на диод. Если увеличивать или уменьшать напряжение, которое подается на диод, соответственно увеличивается или уменьшается ток, текущий через диод.
Вывод: Односторонняя проводимость p-n перехода позволяет создать выпрямляющее полупроводниковое устройство – полупроводниковый диод.
1. Знак проводимости соответствует знаку источника, тогда дырки переместятся влево, электроны вправо. Через р-n переход пойдет электрический ток, состоящий из электронов и дырок.
2. Знак проводимости противоположен знаку источника, тогда носители заряда движутся к полюсам, не переходя границу контакта полупроводников, ток через р-n переход не возникает, следовательно, р-n переход обладает односторонней проводимостью.
р-n переход используется в полупроводниковых диодах.
Транзистор – полупроводниковый прибор, который состоит из двух р-n переходов, включенных встречно. Эмиттер – область транзистора, откуда берутся носители заряда. Коллектор – область, куда стекаются носители заряда. База выполняет роль, аналогичную роли управляющей сетки в лампе.
Транзисторы служат для усиления электрических сигналов, потому что небольшое изменение напряжения между эмиттером и базой приводит к значительному изменению напряжения на нагрузке, включенной в цепи коллектора.
Опыт 12.4. Усилитель постоянного тока на транзисторе
Оборудование:
1. Транзистор на подставке
2. Фотодиод на подставке
3. Источник тока В-24
4. Соединительные провода
6. Два демонстрационных гальванометра
Схема установки (Рис. 117):
При затемнении фотоэлемента ток небольшой. Если же осветить фотоэлемент, то ток возрастает на участке G2.
Контрольные вопросы к § 12.
1) Дайте определение полупроводникам?
2) Элементы каких групп таблицы Менделеева относятся к полупроводникам?
3) Назовите два рода носителей электрического заряда, имеющихся в полупроводнике.
4) Перечислите оборудование в опыте 12.1 «Действие полупроводникового фотоэлемента».
5) Перечислите оборудование в опыте 12.2 «Электронно-дырочные проводимости полупроводников».
6) Дайте определение p-n переходу?
7) Перечислите оборудование в опыте 12.3 «Полупроводниковый диод».
8) Дайте определение вольт-амперной характеристике?
9) Дайте определение транзистору?
10) Перечислите оборудование в опыте 12.4 «Усилитель постоянного тока на транзисторе».
11) Дайте определение эмиттеру?
12) Дайте определение коллектору?
13) Почему транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов?
14) Как возникает электронная проводимость германия?
15) Как возникает дырочная проводимость германия?
16) Опишите устройство селенового фотоэлемента.
17) В каком полупроводниковом приборе используется односторонняя проводимость p-n перехода?
18) Опишите устройство полупроводникового диода.
19) Сколько p-n переходов существует в транзисторе?
20) Опишите устройство транзистора.
