Тема 2.1. Полупроводниковые приборы

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники. Для проводников характерна проводимость 10²-10⁸ См/см³ (См – сименс = 1/Ом), для диэлектриков – 10^-10 См/см³ и меньше. Промежуток от 10^-10 до 10² См/см³ занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

- выпрямительные диоды

- ВЧ- и СВЧ-диоды

- стабилитроны или опорные диоды

- туннельные диоды

- варикапы

- тиристоры

- биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.

Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.

Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.

Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.

Где используются диоды

1. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.

2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.

3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.

4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.

Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).

На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.

Разновидности, обозначения

Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:

• Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.

Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.

Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.

Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.

Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.

Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.

• Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.

Единицы измерения и маркировка

Система обозначений активных компонентов Pro Electron, введена в 1966 году. Согласно системе, диод кодируется:

Первая буква — это материал полупроводника:

• A — Germanium (германий);

• B — Silicium (кремний);

Вторая буква – это подкласс приборов:

• A — сверхвысокочастотные диоды;

• B — варикапы;

• X — умножители напряжения;

• Y — выпрямительные диоды;

• Z — стабилитроны, например:

В результате получается:

• AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды;

• BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды;

• BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды;

• BZ-серия — кремниевые стабилитроны.

Транзистор — устройство и принцип работы

Существуют разные типы транзисторов. Разумеется, в зависимости от их типа, устройство и принцип работы несколько отличаются. Соответственно, от этого различается и то, где и как применяются конкретные транзисторы. Основные виды транзисторов :

• биполярные,

• полевые

• и комбинированные.

А также, все транзисторы подразделяются по мощности. Обычно делятся на три группы :

• мощные,

• средней мощности

• и маломощные.

Часто применение транзисторов состоит в том, чтобы генерировать или изменять электрические колебания. То есть, транзисторы могут выдавать на выходе электрический ток с разной частотой. В зависимости от подобного применения транзисторы делятся на

• низкочастотные,

• среднечастотные,

• высокочастотные,

• сверхвысокочастотные.

Биполярный транзистор имеет в своем устройстве три главных внутренних элемента. Они называются эмиттер, база и коллектор. Каждый элемент имеет наружный контактный вывод-электрод. Часто средний вывод является базой. Однако, далеко не всегда. Расположение выводов зависит от устройства каждого конкретного транзистора. Назначение биполярного транзистора часто состоит в том, чтобы с помощью слабого сигнала управлять сильным сигналом.

К примеру, это может выглядеть следующим образом. На вывод коллектора подается ток, имеющий большую силу. То есть, ток для питания мощных электроприборов. А на вывод базы подается ток малой силы. Этот ток нужен только для управления транзистором. То есть, это ток управления. При подаче на базу тока управления, образно говоря, открывается "клапан" транзистора. И ток большой силы начинает течь с коллектора на вывод эмиттера. Чем больше сила тока, приложенного к базе, тем сильнее открывается "клапан".

Биполярные транзисторы подразделяются по типу электронной проводимости. Существую два типа строения биполярных транзисторов

• n-p-n

• p-n-p

ранзисторы обоих типов работают по одним и тем же правилам. Но полярность подключения для разных типов изменяется. Потому как по подобным транзисторам протекает ток разной полярности, они и называются биполярным. То есть, двойной полярности. Значит в любом биполярном транзисторе имеется два p-n перехода. Между этими переходами находится тонкий слой полупроводника. Этот слой называется базой. При любом подключении источника тока к эмиттеру или коллектору один из p-n переходов будет включен в обратном направлении. То есть, как бы мы не подключали плюс и минус к эмиттеру и коллектору, у нас будет схема подобная обратному подключению диода. (Для понимания принципа работы транзистора лучше сначала рассмотреть принцип работы диода). Потому ток при таком подключении в цепи отсутствует.

Однако, все изменится, если через эмиттерный переход пропустить небольшой ток. (Эмиттерный переход — это переход между областью эмиттера и областью базы транзистора.) Считается, что дырки в этом случае будут входить из эмиттера в базу, а затем проникать в коллектор. То есть, управляя током эмиттерного перехода, можно управлять током в цепи коллектора. Потому, если мы изменим ток на эмиттерном переходе, то изменится ток и в цепи коллектора. Причем, считается, что изменение тока будет синхронным.

Полевые транзисторы называются полевыми, потому как управление в них происходит посредством электрических полей. Так как в них протекает ток только одной полярности, их еще называют униполярными. Полевые транзисторы также состоят из трех основных элементов. Они называются сток, исток и затвор. Каждый элемент также имеет наружный контактный вывод.

Существует два типа строения полевых транзисторов:

• с p-n переходом.

• и с изолированным затвором (МДП-транзистор).

К примеру, полевой транзистор с p-n переходом представляет собой тонкую пластину полупроводника. Причем, p-n переход у него всего один. Он находится в центральной части транзистора. Протекание тока происходит по каналу между истоком и стоком. Существуют два вида подобных транзисторов. Во-первых, транзисторы c каналом n типа. То есть, с положительной проводимостью с помощью электронов. Во-вторых, с каналом p типа. То есть, с отрицательной проводимостью с помощью дырок.

Истоком называется вывод от которого начинают движение основные носители заряда. Стоком называется та часть транзистора и вывод к которому эти носители заряда движутся. Затвором называется электрод с помощью которого управляют проводимостью канала. При создании напряжения между истоком и стоком, в канале между ними возникает электрический ток.

Если при этом подключить отрицательный полюс источника питания к затвору (для n типа), то запирающий слой расширится. (Для транзистора p типа к затвору подключается плюс источника питания). В следствии этого сужается токопроводящий канал между истоком и стоком. То есть, сила тока, текущего по каналу, уменьшится. Таким образом управление подобным транзистором осуществляется напряжением на затворе. Точнее, электрическим полем, созданным этим напряжением.