Сравнить полупроводниковые диод и транзистор. Реферат: Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их применения. Полупроводниковые резисторы, диоды, транзисторы

Полупроводниковым диодом называется не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анодаи катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные ) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью (пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температуры окружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

Максимальный прямой ток I ПР ;

Температурная стойкость t 0 max ;

Максимальное обратное напряжение U KP .

Сопротивление постоянному току R 0 = U ПР / I ПР ;

Сопротивление переменному току R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;

Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;

Мощность потерь на аноде P A = U ПР I ПР ;

Область использования диодов : выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы с двумяр-п переходами, позволяющиеусилить электрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные (полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором . От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-п переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n) транзисторы, разница между которыми состоит вполярности подключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер – излучатель зарядов,база – основание иколлектор – собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p , а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

I э I к

Вход Выход

Рис. 2. Биполярный p - n - p транзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p - n иn - p . Первый переход (p - n ) включен впрямом направлении, т.е. минус кn -области, а плюс кр – области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n - p ) включен вобратном направлении, т.е. плюс к базе (n - область), а минус кр – области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратным U K включением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p - n переход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе , дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испытывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU K , переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса батареи питания. В результате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI K , несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное - это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллекторным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощности подводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR н при соответствующем подборе напряжения батареиU к может быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R H >> R ВХ , а входной (эмиттерныйI Э ) и выходной (коллекторныйI К ) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU ВХ = I ВХ * R ВХ ; P вх = I 2 вх * R вх меньше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузкеU = I К * R Н ; P н = I K 2 * R Н . Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI Э ~ = I К ).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора - схема с общим эмиттером, при которой, кроме усиления мощности, имеет место такжеусиление тока. Схема включенияс общим коллектором используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению - около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в следующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k определяется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная

Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ ВЫХ /ΔΧ ВХ;ΔU ВЫХ /ΔU ВХ;ΔI ВЫХ /ΔI ВХ;ΔP ВЫХ /ΔP ВХ.

Входное сопротивление транзистора переменному току

R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.

Мощность потерь на коллекторе

P K = U K * I K .

Достоинства транзисторов: малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки : существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использования транзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.

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.

Привет всем читателям "Радиосхем ", меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды - не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.

Вы знаете как работает простой проводник - ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор - это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки - это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Теперь разберёмся - как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.

Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p - это positive (позитив, положительный), n - negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да - мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p - положительный является анодом, n - отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска - она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.

Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток - это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.

Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.

Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия - сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону - это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.

Биополярные и полевые транзисторы

Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а полевые пока не будем трогать - отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура - это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод - эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод - коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть "n", дальше эмиттер - принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.

Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать - транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.

Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n.

На этом статья закончена, если что-то не понятно - обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын .

Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

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.

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 двухэлектродной лампы - диода (см.§ 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-n -переход, называется полупроводниковым (кристаллическим ) диодом . Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные .

Рис. 339 Рис. 340

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n -германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия А1 в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий р -проводимостью. На границе этого слоя образуется р-n -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.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu 2 О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,- дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu 2 О к Сu ().

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис.325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). р-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 (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

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.

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р , т. е. триода на основе n -полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов - металлических проводников. 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 подается 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 толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении - переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n -переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б к. Обычно >> , поэтому значительно превышает входное напряжение (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п -типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода и поэтому потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме и т. д.), транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?
Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?
Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?
Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.
Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?
Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?
Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?
В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n -типа? с полупроводником р -типа? Объясните механизм его образования.
Как объяснить одностороннюю проводимость р-п -перехода?
Какова вольт-амперная характеристика p-n -перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17°С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.