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.

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.

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.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорной примеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомных растояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхности германия преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образца германии, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоеденение диода.

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.

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

Классификация транзисторов:

По принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

По значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

По значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

По значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

По функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

По конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 - Условно - графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости - электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) - слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) - средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой - выходным (включается нагрузка), третий электрод - общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора - в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 - Условно - графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

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.