2.2. Електронно-дірковий перехід.

Використання більшості напівпровідникових приладів засновано на процесах, що проходять на межі стикання двох ділянок різних типів провідності.

Наприклад, у напівпровідник ліворуч від площини стикання введені акцепторні домішки, а праворуч – донорні (рис. 49).

Носії заряду, які визначають вид провідності у напівпровіднику з домішкою, називають основними (дірки у р - напівпровіднику та електрони в n - напівпровіднику), а носії заряду протилежного знаку неосновними. Дірки будуть дифундувати зліва направо з ділянки р у ділянку n. Вільні електрони будуть дифундувати у протилежному напрямку. У підсумку ліворуч від площини стикання утворюється надлишковий негативний заряд, а праворуч – надлишковий позитивний заряд. В наслідок рекомбінації електронів і дірок у прилеглих до площини стикання ділянках не буде ні дірок, ні вільних електронів. Надлишковий заряд буде створюватись ліворуч – негативними іонами акцептора, а праворуч – позитивними іонами донора. У місці p – n переходу виникає електричне поле Е, яке направлене справа наліво, що перешкоджає подальшій дифузії дірок і електронів. Між ділянками p і n виникає різниця електричних потенціалів, тобто виникає так званий потенційний бар’єр. Якщо до p – n переходу підвести постійну напругу ( “+” до p , “-“ до n – переходу) (рис. 50, а), то величина потенційного бар’єру знизиться і основні носії струму (дірки ліворуч і електрони праворуч) отримують можливість проходите через p – n перехід. У колі виникне прямий струм, який буде збільшуватися із збільшенням напруги джерела живлення.

2.3 Напівпровідникові діоди.

Напівпровідниковий діод – це прилад, що має один p – n перехід та два зовнішніх виводи. До напівпровідникових діодів відносяться:

• випрямляючі діоди, що призначенні для перетворення змінного струму у постійний (вони діляться на випрямляючі із середнім значенням випрямленого струму І сер. < 10 А та силові вентилі із І сер. >10 А);
• стабілітрони – для стабілізації напруги;
• тунельні діоди – для зменшення втрат енергії у коливальному контурі;
• фотодіоди – для перетворення світлової енергії в електричну;
• світлодіоди – для перетворення електричної енергії у світлову.

Маркування напівпровідникових діодів містить в собі позначення з чотирьох елементів (четвертий елемент, що вказує на конструктивне оформлення, може бути відсутній). Перший елемент (літера або цифра) позначає вихідний напівпровідниковий матеріал:

Г або 1 – германій або його сполуки;
К або 2 – кремній або його сполуки;
А або 3 – сполуки галію.

Другий елемент (літера) вказує клас напівпровідникового приладу: «Д» – діод; «И» – тунельний діод; «С» – стабілітрон.

Третій елемент – тризначне число, що вказує на тип приладу. Наприклад, діод КД 212А – кремнієвий випрямляючий діод середньої потужності у пластмасовому корпусі.

Позначення діода на електричних схемах показано на рис. 51.

Електрод, підключений до ділянки p, називається анодом (А), а електрод, підключений до ділянки n – катодом (К).

До основних параметрів діодов відносяться:

• спад напруги на діоді при певному значенні прямого струму;
• зворотний струм І звор. при певному значенні зворотної напруги;
• середнє значення прямого струму І пр. сер;
• імпульсна зворотна напруга.

Типова вольт-амперна характеристика діоду показана на рис. 52.

Стабілітрон (опорний діод) – напівпровідниковий діод, у якого на зворотній гілці вольт-амперної характеристики є дільниця, що розташована в області лавинного пробою. Ця робоча дільниця стабілітрона характеризується дуже слабкою залежністю напруги від струму (рис. 53).

Основними параметрами стабілітрона є:

• напруга стабілізації U_ст ;
• допустимий струм через стабілітрон І доп;
• температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН).

Маркування стабілітрона: матеріал провідника (К – кремній); позначення підкласа стабілітрона (С); цифра, що вказує на потужність стабілітрона; дві цифри, що вказують відповідну напругу стабілізації; літеру, що вказує на конструкцію. Наприклад, стабілітрон КС196Б – є кремнієвий стабілітрон, високоточний, малопотужний, напруга стабілізації 9,6 В, у герметичному металевому корпусі із скляним ізолятором.

Тунельний діод – напівпровідниковий діод із негативним опором і з незначною чутливістю до змін зовнішньої температури.

Наявність дільниці негативного опору на вольт-амперній характеристиці тунельного діоду є його особливістю (рис. 54).

У звичайному опорі, який можна назвати позитивним, при збільшенні напруги, збільшується і струм і, відповідно, кількість енергії, що перетворюється у тепло.

У негативному опорі збільшення напруги призводить до зменшення струму та зменшення енергії. Наприклад, у коливальному контурі завжди є втрати енергії. Внаслідок чого коливання згасають. Якщо ж паралельно конденсатору включити негативний опір, то він буде сприяти поповненню втрат енергії у контурі, при чому синхронно із зміною напруги в контурі. У цьому полягає принцип дії більшості пристроїв, в яких використовуються напівпровідникові діоди с тунельним ефектом.

Позначення тунельного діода на електричних схемах наведено на рис. 55.

Фотодіод представляє собою діод з відкритим p – n переходом. Світловий потік (Ф), що падає на відкритий p – n перехід призводить до появи в одній із ділянок додаткових неосновних носіїв зарядів. Внаслідок чого збільшується зворотний струм, що наочно видно на вольт-амперній характеристиці фотодіода (рис. 56,а).

Схема включення фотодіода наведена на рис. 56, в. Напруга на навантаженні визначається як різниця між напругою джерела живлення та напругою на фотодіоді:

U_н = E – U_ф.д.

Основними параметрами фотодіодів є: діапазон довжини хвиль оптичного випромінювання, інтегральна чутливість та темповий струм. Інтегральна чутливість у більшості фотодіодів лежить у межах: 10 –3 ?1 мкА/лм. Темповий струм залежить від площини p – n переходу і має значення у межах 10 –2 ?1 мкА.

Світловипромінюючі діоди перетворюють електричну енергію в світлову за рахунок рекомбінації (об’єднання електронів і дірок). У звичайних діодах процес рекомбінації проходить з виділенням тепла, а у світловипромінюючих діодах переважає рекомбінація з випромінюванням світла. Звичайно, таке випромінювання буває резонансним і знаходиться у вузькій смузі частот (рис. 57).

Для виготовлення світлодіодів застосовують фосфід галію та карбід кремнію, а також деякі потрійні з’єднання, що називають твердими розчинами, які складаються із галію, алюмінію та миш’яку, або галію, миш’яку та фосфору. Діоди інфрачервоного випромінювання виготовляють із арсеніду галію.

2.4. Транзистори.

2.4.1 Біполярні транзистори.

У біполярних транзисторах струм у провідній ділянці містить як позитивні носії зарядів, так і негативні (електрони). В уніполярних транзисторах струм через провідну ділянку визначається носіями зарядів тільки одного знаку.

За потужністю розсіювання Р_РОЗ. (допустиме значення потужності втрат, що розсіюється транзистором без застосування додаткового тепловідводу), розрізняються транзистори малої (Р_роз.< 0,3 Вт), середньої (Р_роз. більше 0,3 Вт і менше1,5 Вт), великої (Р_роз. > 1,5 Вт) потужності.

За діапазоном частот розрізняються низькочастотні (частота менше 3 МГц), середньочастотні (частота більше 3 МГц і менше 30 МГц), високочастотні (частота більше 30 МГц і менше 300 МГц) та зверхвисокочастотні (частота більше 300 МГц) транзистори.

Біполярний транзистор являє собою кристали германію або кремнію з трьома ділянками, що чергуються: електронного або діркового типів провідності, розділених двома електронно - дірковими переходами (рис. 58, а, г). Таким чином, біполярний транзистор можна представити у вигляді двох діодів (рис. 58, б, д).

Роботу транзистора можна пояснити на принципах роботи діодів (рис. 58, б). У діоді, що працює у закритому напрямі, зворотний струм – це струм неосновних носіїв заряду. При зміні напруги на діоді від малих величин до напруги пробою цей струм практично залишається незмінним і має незначну величину.

Якщо до цього діода включити послідовно ще один діод, але у прямому напрямі, то зворотний струм збільшується.

Ця ідея використовується в основі роботи транзисторів.

Принцип дії площинних германієвих тріодів: у тріоді дві області германію p – типу розділені шаром германію n– типу (рис. 58, а). Ці області з’єднуються із зовнішнім електричним колом за допомогою електродів у вигляді металевих пластин, які звуться емітером (Е), базою (Б), колектором (К).

Напруга батареї, яка включена між базою і емітером, зменшує потенційний бар’єр у p – n переході від емітерної області до області бази, тому що ця батарея включена у прямому напрямку, що сприяє проходженню прямого струму.

Напруга батареї, яка включена між базою і колектором, збільшує потенційний бар’єр у p – n переході від області бази до області колектора, тому що ця батарея включена у зворотному напрямку, що перекриває проходження прямого струму.

Зменшення потенційного бар’єру між емітерною областю та областю бази викликає рух дірок із області емітера в область бази (в область n). Через малу товщину шару n германію, практично усі дірки, які проникли у цей шар із області емітера, будуть дрейфувати через усю товщину шару до наступного n – p переходу і вільно проникнуть через цей перехід в область колектора, тому що електричне поле у цьому переході сприяє руху дірок зліва направо. Такому руху дірок сприяє і напруга батареї, яка включена між базою і колектором. У шарі n будуть мати місце рекомбінація деякої кількості дірок із вільними електронами цього шару, що призведе до незначного зменшення струму у колекторі, порівняно зі струмом у емітері через відгалуження невеликої частини струму емітера в базу.

Схеми включення транзисторів p – n– p і n– p – n типів.

Застосовуються три схеми включення транзисторів(рис. 59, 60, 61): із загальною базою – ЗБ(рис. 59) ;

із загальним емітером - ЗЕ(рис.60);

із загальним колектором – ЗК(рис.61).

Назва схеми походить від того, який електрод транзистора є загальним для вхідного і вихідного електричних кіл.

Схеми включення транзисторів відрізняються своїми властивостями, але принцип підсилення електричних коливань залишається однаковим. У схемі із загальною базою (рис. 59) позитивне збільшення напруги на вході ?Uвх., викликає збільшення струму емітера ІЕ, що призводить до збільшення як струму колектора Ік, так і вихідної напруги Uвих. Слід зауважити, що збільшення вихідної напруги є набагато більшим ніж збільшення вхідної напруги.

2.4.2. Польові транзистори.

Польовий (уніполярний або канальний) транзистор – це напівпровідниковий прилад, у якому управління вихідним струмом здійснюється електричним полем зміною провідності провідного каналу.

Принцип роботи заснований на управлінні рухом носіїв тільки одного знаку (основних носіїв), на відміну від біполярних транзисторів, у яких фізичні процеси пов’язані з рухом носіїв зарядів обох знаків (основних та неосновних). За провідністю каналу польові транзистори поділяються на два типи: транзистори з каналом p- типу та n – типу.

Польовий транзистор із p – n переходом складається з напівпровідникового матеріалу n – або p – типу (рис.62, а, б), що утворює струмопровідний канал з двома електродами. Електрод, від якого при прикладанні напруги починають рухатися основні носії заряду, називають витоком (В), а електрод, до якого вони рухаються – стоком (С). У центральній частині каналу із платинового напівпровідника створюється p – n перехід з виводом від зовнішньої області. Зовнішня область p – n переходу є третім електродом польового транзистора і називається затвором (З).

Якщо прикласти напругу між стоком і витоком, то у колі стока Uc буде проходити струм І, величина якого при постійній напрузі стоку та постійному опору навантаження Rн, залежить від опору каналу (рис. 63).

2.5 Силові напівпровідникові прилади. Тиристори.

Силові напівпровідникові прилади призначені для використання у електросилових установках – управління електроприводом; блоках живлення великої потужності; перетворювачах частоти тощо.

Одним із поширених видів силових напівпровідникових приладів є тиристор.

Тиристором називається напівпровідниковий прилад, основою якого є чотиришарова структура типу p – n – p – n (n – p – n – p), що виготовлена із кремнію з трьома p – n переходами. У простішому випадку тиристор має два електрода – анод і катод і називається діод тиристором або динистором (рис. 64).

Два крайніх переходи П₁ і П₃ називають емітерними переходами, середній П₂ – колекторним. Якщо динистор підключити до зовнішньої напруги з полярністю, яка вказана на рис. 64(а), то два переходи П₁ і П₃ опиняться зміщеними у прямому напрямку, а П₂ – у зворотному. Тому опір переходу П₂ буде значно більше опорів переходів П₁ і П₃ , і основна частина напруги живлення буде прикладена до переходу П₂ . В міру збільшення анодної напруги, зростає і падіння напруги на переходах П₁ і П₃ , а на переході П₂ падіння напруги зменшується, струм через динистор збільшується. При деякому значенні зовнішньої напруги, яка називається напругою включення U_вкл , настає лавиноподібне зростання струму, але воно обмежується опором навантаження R_н , і динистор переходить у режим насичення (прямолінійна ділянка вольт – амперної характеристики) (рис. 65). Таким чином, усі три переходи стають включеними у прямому напрямку і опір динистора і, відповідно, падіння напруги на ньому будуть незначними. Це свідчить про те, що динистор діє як перемикальний прилад, який має два стійких (сталих) положення: включено і виключено.

Якщо від однієї з базових областей зробити відвід, то утвориться управляючий перемикальний прилад, що називається тріодним тиристором або тринистором (рис. 66).

При поданні через управляючий електрод прямої напруги на один з переходів, можна збільшити струм через цей перехід, а відповідно, і загальний електродний струм, що призведе до зменшення величини напруги включення U_вкл. . Таким чином, змінюючи напругу на управляючому електроді, можна управляти напругою включення тиристора. При струмі управління I_у = 0, характеристика тиристора співпадає з характеристикою динистора (рис.65). Якщо струм управління I_у > 0, відбувається інжекція носіїв з відповідного емітерного переходу до колекторного переходу. Чим більше управляючий струм, тим сильніша інжекція носіїв, тим менше потрібно напруги на тринисторі для його включення (рис. 67)

2.6. Інтегральні мікросхеми. Загальні відомості.

Назад Догори На першу сторінку