Напівпровідникові прилади

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напівпровідникові прилади

План

Вступ

1. Електрофізичні властивості напівпровідників. Електронно-дірковий перехід

2. Загальне поняття про біполярні транзистори

3. Будова і принцип дії біполярних транзисторів

4. Схеми ввімкнення біполярних транзисторів

Вступ

Мета: пояснити будову та принцип дії біполярних транзисторів, маркування та роботу біполярного транзистора при різних способах ввімкнення

Актуальність: знання напівпровідникових приладів необхідне для розуміння роботи окремих побутових приладів.

Міжпредметна інтеграція: хімія, фізика, математика.

Після вивчення теми студент повинен знати:

будову та принцип дії транзистора,

схеми ввімкнення транзистора,

класифікацію транзисторів

Ключові терміни та поняття: напівпровідники, власна провідність, домішкова провідність, транзистор, емітер, база, колектор.

Самостійна робота студента:

1.Тиристори: будова, принцип дії, умовне позначення, маркування.

2. Будова діодів. Характеристика, параметри, маркування діодів.

1. Електрофізичні властивості напівпровідників. Електронно-дірковий перехід

Якщо в початковий період розвитку різні галузі електронної техніки спиралися на використання електронновакуумних і газорозрядних приладів, то в теперішній час ці прилади успішно заміщуються різноманітними напівпровідниковими приладами. Застосування сучасних напівпровідникових приладів дозволило створювати малогабаритну електронну апаратуру, збільшувати надійність і термін її роботи, а також значно зменшити втрату електроенергії, що споживається.

Важливим є і те, що напівпровідникові прилади для своєї роботи не потребують джерел високих напруг. Необхідно відмітити, що поряд з суттєвими перевагами напівпровідникових приладів,є і деякі недоліки, до яких відносяться - залежність параметрів від температури, важкість отримання великих потужностей.

Напівпровідниками називають велику групу хімічних елементів і їх з'єднань, в яких питомий опір займає проміжне становище між провідниками і діелектриками.

Фізична суть провідності напівпровідників суттєво відрізняється від процесів провідності в металах. Найбільш важливим є, те що провідність в напівпровідниках здійснюється двома видами рухомих носіїв електричних зарядів. Провідність напівпровідників суттєво залежить від навколишньої температури, степеня освітлення і радіації, а також від виду і відсоткового складу в них сумішей. Вихідним матеріалом при виготовленні напівпровідникових приладів є елементи четвертої групи періодичної системи Мендєлєєва. Широке використання мають германій, кремній, а також напівпровідникові суміші: карбід кремнію, сульфід кадмію і ін. Як і метал, напівпровідники мають кристалічну структуру, яка характеризується закономірним розміщенням атомів, фіксованим у вузлах кристалічної решітки.

Кристали кремнію і германію мають кубічну решітку алмазного типу. В такій решітці кожний атом взаємно зв'язаний з чотирма сусідніми атомами ковалентного зв'язку (рис. .1)

З рис. .1 видно, що кожний атом має навколо себе вісім валентних електронів - чотири власних і по одному від кожного сусіднього атома. При цьому додатні заряди ядер компенсуються від"ємними зарядами електронів, тому кристал є електрично нейтральним.

При температурі абсолютного нуля (-273 всі валентні електрони приймають участь в утворенні ковалентних зв'язків, відповідно вільних носіїв зарядів для здійснення провідності не має, при цьому напівпровідник подібний до ідеального діелектрика.

При підвищенні температури або при опроміненні напівпровідника променистою енергією частина валентних електронів, які отримали необхідну енергію, виходять з ковалентних зв'язків, при цьому вони стають вільними носіями електричних зарядів. При розривах ковалентних зв'язків одночасно з виникненням вільних електронів утворюють незаповнені ковалентні зв'язки дірки.

В хімічно чистих напівпровідниках число вільних електронів рівне числу дірок, так как при розриві одного ковалентного зв'язку одночасно створюється один вільний електрон, що пішов з ковалентного зв'язку, і одна дірка - відсутній валентний електрон в ковалентному зв'язку.

Дірка в електричному і магнітному полях веде себе як частинка з додатнім зарядом, рівним заряду електрону. При розривах ковалентних зв'язків кристал не втрачає електричної нейтральності, оскільки число додатнім зарядів - дірок рівне від"ємних електронів. Незаповнений ковалентний зв'язок може заповнити вільний електрон, який покинув сусідній ковалентний зв'язок. При цьому один ковалентний зв'язок відновлюється, а друга - розривається. Таким чином, створюється враження, що дірка з як би з властивим їй додатнім зарядом переміщується від одного атома до іншого, при чому її переміщення проходить в напрямі протилежному переміщенню електрону заміщення.

Розриви ковалентних зв'язків, що супроводжується утворенням вільних електронів і дірок називають генерацією, а відновлення ковалентних зв'язків рекомбінацією. Рекомбінація супроводжується виділенням тепла або світла, генерація проходить з поглинанням енергії. При відсутності електричного поля вільні електрони і дірки здійснюють в міжатомному просторі хаотичний тепловий рух, який не супроводжується появою струму.

При наявності зовнішнього електричного поля переміщення вільних електронів і дірок має впорядкований характер, електрони рухаються в напрямі сили електричного поля, а дірки - в протилежному напрямі. Провідність, зумовлена рухом вільних електронів, називається електронною, а провідність, викликана рухом дірок - дірковою.

Електронну провідність називають провідністю n-типу, а діркову - називають провідністю p-типу. Провідність, яка здійснюється одночасно електронами і дірками називається власною або і-типу. Власна провідність рівна сумі провідностей n- і p-типів. У власній провідності переважне значення має електронна складова провідності, оскільки рухливість вільних електронів більше рухливості дірок-електронів заміщення. Для зміни характеру провідності в чистий напівпровідник вводять домішки. В якості домішок для кремнію і германію використовують елементи третьої чи п'ятої групи таблиці Менделєєва. Елементи п'ятої групи, наприклад миш'як, фосфор, сурму, застосовують для отримання напівпровідників з переважанням електронної провідності, а елементи третьої групи, такі, як бор, алюміній, галій, індій, використовують для отримання напівпровідників з переважанням діркової провідності.

Якщо в чистий кристал кремнію або германію внести атом домішки з п'яти валентними електронами, то атом домішки внесе на один електрон більше, ніж потрібно для заповнення ковалентних зв'язків, при цьому чотири валентних електрона домішки увійдуть в ковалентні зв'язки з чотирма сусідними атомами основного матеріалу і створять стійку електронну оболонку з восьми валентних електронів. П'ятий електрон домішки буде слабо пов'язаний з ядром атома (рис.2). При отриманні п'ятим електроном невеликої енергії він стає вільним, не викликаючи розриву ковалентного зв'язку а, отже, без утворення дірки. Оскільки атоми домішок п'ятої групи є джерелами вільних електронів, таку домішку називають донорною, а напівпровідник із донорною домішкою-напівпровідник n-типу, так як провідність зумовлена електронами провідності. Якщо в кристалі напівпровідника один з його атомів замінити атомом трьохвалентною домішкою(рис.3), то утворюється незаповнений ковалентний зв"язок- дірка, без утворення вільного електрона.

Рис.2 Рис.3

Так як домішковий атом здатний сприйняти електрон, для заповнення розірваної ковалентного зв'язку, його називають акцептором, а напівпровідник з акцепторною домішкою - полупроводником р-типу, оскільки пропровідність обумовлюється рухом дірок.

У домішкових напівпровідниках розрізняють два види носіїв електричних зарядів - основні і неосновні. Основні носії обумовлені домішками, а неосновні - розривами ковалентних зв'язків. У напівпровіднику n-типу основними носіями є вільні електрони, а неосновними - дірки, в напівпровіднику р-типу основними є дірки, а неосновними - електрони.

Особливі властивості набувають напівпровідники, які складаються з двох чи кількох дотичних шарів з різними типами провідності. Область, де є перехід від напівпровідника з електронною провідністю до напівпровідника з діркової провідністю, називають електронно-дірковою або р-п-переходом. Властивості і поєднання електронно-діркових переходів лежать в основі принципу дії багатьох напівпровідникових приладів. Електронно-дірковий перехід є основним елементом напівпровідникових діодів і транзисторів. Створюється за допомогою технологічних процесів, в результаті яких межа поділу областей з різними видами провідності знаходиться в середині напівпровідникового монокристалу

Рис.4 Електронно-дірковий перехід.

Користуючись рис.4, розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в монокристалі з різними видами провідності.

У n-області монокристала концентрація електронів переважає над концентрацією електронів в р-області. В р-області, навпаки, концентрація дірок переважає над концентрацією дірок в n-області.

Під дією градієнта концентрації в монокристалі виникає дифузія основних носіїв електричних зарядів. Електрони з n-області диференціюють в р-область, а дірки з р-області- в n-область. У результаті дифузії основних носіїв біля межі розділу р-і n-областей залишаються некомпенсованими іонізовані атоми акцепторної і донорної домішок.

Отже, в межах p-n-переходу завдяки дифузії дірок і електронів створюються області з надлишковою концентрацією нерухомих негативних зарядів з боку р-області та надлишкових позитивних нерухомих зарядів з боку n-області.

Між цими областями виникає електричне поле, яке називають внутрішнім дифузійним полем Езап р-n-переходу, а також встановлюється контактна різниця потенціалів, яка залежить від матеріалу напівпровідника, виду домішки та ступеня її концентрації. Вона не перевищує 1В.

Під дією сили внутрішнього електричного поля з прикордонної області витісняються електрони і дірки. У результаті області, прилеглих до кордону розділу, виявляться збідненими основними носіями електричних зарядів. Таким чином у приконтактній області утворюється дуже тонкий шар, майже позбавлений рухливих електричних зарядів і має великий омічний опір, що називається замикаючим шаром.

Внутрішнє поле Езап для основних носіїв електричних зарядів р- і n-областей є гальмівним, а для неосновних - приcкореним.

Неосновні носії р-і n-областей вільно проходять через внутрішнє поле р-n-переходу, тому що воно для них є прискорюючим, і створюють струм дрейфу - струм провідності. Основні носії, долаючи гальмує дію внутрішнього поля, створюють дифузійний струм, напрям якого протилежний напряму струму дрейфу. У силу динамічної рівноваги при відсутності зовнішнього поля, зазначені струми рівні, тому сумарний струм через р-n-перехід буде дорівнює нулю. I такий стан р-n-переходу називається рівноважним.

Рівноважний стан р-n-переходу порушується, якщо до переходу прикласти зовнішню напругу, що у залежності від значення і полярності підключення змінює висоту потенціального барьєру, ширину замикаючого шару і співвідношення між дифузійним струмом і струмом дрейфу р-n-переходу.

Рис.5 Рис.6

Якщо до р-n-переходу прикласти зовнішню пряму напругу, як показано на рис.5, тобто приєднавши позитивний полюс до р-області, а негативний до n-області, то при цьому електричне поле зовнішнього джерела Евн не збігається з напрямком поля Е зап р-n-переходу. Це приведе до зменшення напруженості електричного поля переходу, що викличе зменшення ширини замикаючого шару і висоти потенційного бар'єру. Зменшення висоти потенційного бар'єру призведе до зростання дифузійних струмів основних носіїв, а струми дрейфу трохи зменшаться, в результаті через р-n-перехід буде протікати результуючий струм, названий прямим струмом.

Прямий струм протікає в направлений від лінії р- до n-області через запірний шар р-n переходу.

Розглянемо тепер випадок, коли до р-n переходу прикладена напруга протилежної полярності зворотнє включення (рис.6). У цьому випадку зовнішня напруга збільшує напруженість внутрішнього поля p-n-переходу, а також ширину запірного шару і висоту потенційного бар'єру. При цьому струми дифузії практично зменшуються до нуля, оскільки дифузія основних носіїв утруднена зростанням потенційного бар'єру. Струми неосновних носіїв - струми дрейфу зберігають майже колишні значення, як і при рівноважному стані p-n- переходу. У результаті через цей перехід протікає струм дрейфу неосновних носіїв р-n-областей. На відміну від прямого струму цей струм протікає в напрямку від n- до р-області через р-n-перехід і називається зворотним током-Ізвор

Зворотний струм пропорційний концентрації неосновних носіїв і у багато разів менше, ніж прямий струм. Із зростанням температури і освітленості зворотний струм збільшується. Величина зворотного струму залежить від зворотної напруги. Оскільки зворотний струм значно менше, прямого (приблизно на шість порядків), можна вважати, що напівпровідник, що має електронно-дірковий переход, володіє вентильною властивістю, тобто односторонньою провідністю електричного струму. Це дає можливість використовувати електронно-дірковий перехід для випрямлення змінного струму.

На рис.7 наведена вольт-амперна характеристика електронно-діркового переходу, з якої видно властивість односторонньої провідності перехода. При роботі приладів з електронно-дірковим переходом спостерігається його підігрів.

Прилади, побудовані на кремнієвій основі, мають максимально допустиму температуру нагрівання близько 200 ° С, а на германієвій - не перевищують 100 ° С. Максимальна температура, яку може витримати прилад, визначає максимально допустиму потужність розсіювання приладу. Максимально допустима потужність розсіювання обмежує струм і напругу в приладі, а отже, вихідну потужність. При роботі в електронно-дірковому переході може спостерігатися його пробій, який супроводжується зростанням зворотного струму р-n-переходу. Пробій настає при зворотній напрузі, рівній напрузі пробою, величина якого залежить від матеріалу і конструкції приладу. Суть пробою полягає в тому, що при збільшенні зворотної напруги зростає напруженість внутрішнього поля р-n-переходу. Збільшення напруженості, електричного поля приводить до збільшення швидкості рухомих носіїв, що створюють зворотний струм. При достатній швидкості завдяки розриву ковалентних зв'язків утворюються додаткові електрони і дірки. Нові електричні заряди збільшують зворотний струм і можуть у свою чергу при зіткненні створювати нові електрони і дірки. Цей процес, названий лавинним розмноженням, приводить до дуже швидкого наростання зворотного струму. Лавинний пробій є оборотним, якщо він не переходить в тепловий. Наявність об'ємних зарядів і електричного поля в збіднілому шарі надає p-n- переходу властивості електричної ємності. Ця ємність називається бар'єрної ємністю p-n-переходу. Бар'єрна ємність залежить від площі р-п-перехода і напруги, що підводиться до p-n-переходу:

Cb=

де - відносна діелектрична проникність напівпровідника; S-площа p-n-переходу; d-ширина запірного шару.

Поряд з бартерною емністью p-n-перехід володіє дифузійної ємністю, яка існує при прямому включенні p-n-переходу. Бар'єрну ємність використовують в варикапах. В інших напівпровідників приладах вона надає шкідливий вплив. транзистор напівпровідник електронний ковалентний

2. Загальне поняття про біполярні транзистори

Транзистором називається електропередавальний напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, придатний для підсилення потужності, що має три або більше виводів.

Транзистори широко використовують в сучасній електронній апаратурі завдяки перевагам в порівнянні з електронними лампами. Основним призначенням транзисторів є робота в схемах підсилювачів і генераторів.

Однією з важливих переваг транзисторів є їх висока економічність. Для нормальної роботи транзистора потрібна живляча напруга в десятки раз менша, ніж для живлення електронних ламп. Крім того транзистори не потребують витрати напруги накалу, а відповідно, і не потрібно джерела напруги накалу. По своїх розмірах і масі транзистори в десятки раз менші електронний ламп. Вони мають високу механічну міцність і довговічність, що значно перевищує надійність роботи електронних приладів.

До недоліків транзисторів відносяться:

залежність параметрів від температури;

малий вхідний опір і його не лінійність;

важкість виготовлення транзисторів з ідентичними параметрами;

порівняно високий рівень власний шумів;

принциповим недоліком транзисторів є споживання потужності у вхідному колі, так як транзистор керується струмом, а не напругою, як електронні лампи.

Але переваги транзистора перед електронними лампами настільки суттєві, що електронних ламп стає все менше і менше. В наш час існує багато видів транзисторів, які відрізняються по потужності, діапазону частот, технології виготовлення і,навіть, по принципу дії.

Класифікація транзисторів:

1. по потужності :

а) транзистори малої потужності - до 0,3Вт;

б)транзистори середньої потужності від 0,3 до 1,5 Вт;

в)транзистори великої потужності вище 1,5 Вт.

2. по діапазону частот:

а) низькочастотні транзистори, що працюють на частотах до 3МГц;

б) середньо частотні транзистори, що працюють на частотах від 3МГц до 30МГц;

в) високочастотні транзистори, що працюють на частотах від 30МГц до 300МГц;

г) понад високочастотні транзистори, що працюють на частотах вище 300МГц.

3. по вихідному матеріалу розрізняють германієві та кремнієві і транзистори виготовлені на основі напівпровідникових сумішей.

4. по числу електронно-діркових переходів:

а) двоперехідні транзистори;

б) триперехідні транзистори;

в) одноперехідні транзистори;

г) багатоперехідні транзистори.

5. по технології виготовлення:

а) сплавні транзистори, електронно-діркові переходи, яких отримують методом вплавлення;

б) дифузійні транзистори, електронно-діркові переходи, яких отримують шляхом дифузії у вакуумі.

Маркування транзисторів складається з таких елементів:

перший елемент, буква або число, що вказує з якого матеріалу виготовлений транзистор (Г або 1 - германій, К або 2- кремній, А або 3- арсенід галію)

другий елемент - буква, яка вказує на тип приладу: Т-біполярний транзистор, П - польові транзистори.

третій, четвертий і п"ятий елементи - тризначне число: 1- діапазон робочих частот і потужність, 2 і 3- числа від 01 до 99 - порядковий номер розробки технологічного типу приладу;

шостий елемент - буква від А до Я - означає тип групи.

Приклад: 1Т 806Б - германієвий, біполярний транзистор, середньо частотний, великої потужності, номер розробки 06, група Б.

3. Будова і принцип дії біполярних транзисторів

На рис. 7. Показана схематична конструкція транзистора р-n-р типу, виготовленого сплавним методом.

На пластинку 3 германію з електронною провідністю, яка є базою транзистора, з обох сторін вплавлений індій, завдяки чому на протилежних сторонах бази створюються області з діркової провідністю. Одна з отриманих областей виконує функцію емітера, друга - колектора. При цьому з боку емітера діє електронно-дірковий перехід, що називається емітерним, а з боку колектора - колекторний. Монокристал 3 поміщають в крісталотримачі 4, який припаюють до дна герметизованого корпусу 1. Вивід бази кріпиться до корпусу, а внутрішні виводи емітера 2 і колектора 5 через ізолятор 7 з'єднуються з зовнішніми виводами 6. Основним призначенням емітера є вприскувати в базу неосновні носії зарядів дірки. Призначенням колектора - збирати неосновні носії зарядів, які інжектовані в базу з емітера. Емітер, база і колектор мають контакти для з"єднання з зовнішнім колом. Транзистор n- р -n - має аналогічну конструкцію.

Для розгляду принципу роботи біполярного транзистора використовуємо схему (рис.1).

З малюнка видно, що транзистор представляє собою два напівпровідникові діоди, які мають одну загальну область - базу, причому до емітерного переходу прикладена напруга Е 1 в прямому напрямі, а до колекторного переходу - напруга Е 2 в зворотньому напрямі.

При замиканні вимикачів В 1 і В 2 через емітерний перехід (р-n) здійснюється вприскування дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть переходити в емітер. Відповідно, через емітерний перехід пройде струм по наступному шляху: + Е 1, міліамперметр mA1, емітер, база, міліамперметр mA2, вимикачі В 2 і В 1, -Е 1.

Якщо вимикач В 1 розімкнути, а вимикачі В 2 і В 3 замкнути, то в колекторному колі пройде незначний зворотній струм, викликаний направленим рухом неосновних носіїв заряду - дірок бази і електронів колектора. Шлях струму: +Е 2, вимикачі В 2 і В 3, міліамперметр mA2, база, колектор, міліамперметр mA3, -Е 2 .

Коли замкнені всі три вимикачі, то: якщо б концентрація дірок і електронів в базі була однакова, то прямий струм через емітерний перехід створювався б переміщенням однакового числа електронів і дірок. Але в транзисторах, концентрація носіїв зарядів в базі значно менша, ніж в емітері. Це приводить до того, що число дірок, які вприснуті з емітера в базу, в багато раз перевищує число електронів. Відповідно весь струм через емітерний перехід зумовлений дірками. Дірки, коли попадають в базу, починають взаємодіяти з електронами створюючи ковалентні зв"язки. Але оскільки створення ковалентних зв"язків - процес не миттєвий, тому майже всі дірки встигають пройти через тонкий шар бази і досягнути колекторного переходу швидше, ніж пройде рекомбінація (створення ковалентних зв"зків). Підійшовши до колектора дірки відчувають дію електричного поля колекторного переходу, яке є прискорюючим, тому вони швидко втягуються з бази в колектор, де створюється струм колектора. Коло колекторного струму: +Е 2, вимикачі В 3 і В 1, міліамперметр mA1, емітер, база, колектор, міліамперметр mA3, -Е 2 .

4. Схеми ввімкнення біполярних транзисторів

Розрізняють три можливі способи ввімкнення транзистора:

а)з загальною базою;

б) загальним емітером;

в) з загальним колектором.

Схема а) по суті не відрізняється від схеми даної вище для пояснення принципу роботи біполярного транзистора, різниця полягає лише в тому, що з схеми виключені міліамперметри і вимикачі, а у вхідне (емітерне) коло послідовно з джерелом живлення Е 1 ввімкнене джерело вхідного сигналу, що виробляє деяку змінну напругу. В цій схемі через джерело вхідного сигналу проходить струм емітера Іе, який називається вхідним струмом. Вихідним струмом в цій схемі є струм колектора. Якщо під дією Uвх струм емітера зросте на деяку величину, то відповідно зростуть і інші струми транзистора. Оскільки струм емітера - є найбільшим з усіх струм транзистора, то схема з загальною базою має малий вхідний опір, що є суттєвим недоліком, тому що різко знижується підсилення по напрузі і потужності.

В схемі з загальним емітером (б) вхідний сигнал також прикладений до виводів емітера і бази, а джерело живлення колектора ввімкнене між виводами емітера і колектора. Таким чином, емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного кола.

Основною особливістю схеми з загальним емітером є те, що вхідним струмом в ній є не струм емітера, а малий по величині струм бази. Перевагою даної схеми є також можливість живлення її від одного джерела живлення, тому що на базу і колектор подається напруга одного знаку. Тому ця схема є найбільш поширеною.

Схема в) :в даній схемі вхідний сигнал подається на ділянку база-колектор. Вхідним струмом є струм бази, а вихідним струм - струм емітера. Цю схему часто називають емітерним повторювачем, так як навантаження ввімкнене в коло емітера. Коефіцієнт підсилення рівний приблизно одиниці, а вихідна напруга співпадає по фазі з вхідною. Емітерний повторювач широко використовується як каскад узгодження між окремими каскадами або між виходом підсилювача і його навантаження. Будь-яка з приведених вище схем ввімкнення має підсилення потужності . Це доказує те що транзистор є активним (підсилюючим) приладом.

Размещено на Allbest.ru