Напівпровідникові прилади. Напівпровідникові діоди. Транзистори

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лекція № 17

Тема: Напівпровідникові прилади. Напівпровідникові діоди. Транзистори

Напівпровідники та їх властивості

напівпровідниковий діод транзистори стабілітрон

Напівпровідниками прийнято називати матеріали кристалічної структури, в яких значно змінюється провідність під дією тепла, світла, електричних та магнітних полів, радіаційного опромінення, а також в результаті додавання в них у вигляді домішок інших матеріалів. До числа напівпровідників відносяться окисли металів, сірчисті з'єднання, з'єднання з селеном. Типові напівпровідники: селен, германій, кремній, телур. Напівпровідники відрізняються від провідників та діелектриків провідністю.

Особливістю металевих провідників є - наявність вільних електронів, які являються носіями електричних зарядів, а у діелектриків вільних електронів не має, тому вони не проводять електричний струм. На відміну від провідників, напівпровідники мають не тільки «електрону» провідність, а й «дірочну», яка залежить від температури, освітлення, стиснення,електричного поля та інших факторів.

Залежність провідності напівпровідників від домішок.

При відсутності домішок і температурі Т=0 (абсолютний нуль),усі валентні електрони зв'язані і вільних не має, германій не проводить електричний струм, при збільшенні температури, або при опроміненні збільшується провідність (оскільки збільшується енергія електронів). При кімнатній температурі в кристалі виникає струм.

Електропровідність зумовлена переміщенням вільних електронів називається електронною провідністю, або провідністю п- типу .

Після того як з'явилися вільні електрони в ковалентних зв'язках утворюється вільне і незаповнене електроном (вакантне) місце - «електронна дірка», яка має позитивний заряд і будь-який з електронів може зайняти це місце (дірки). Один ковалентний зв'язок буде встановлено, але буде порушено в іншому місці.

Переміщення «дірок» подібно переміщенню позитивних зарядів - називають «дірковою провідністю».

Провідність, яка виникає в результаті переміщення «дірок», називається «дірковою провідністю», або провідністю р- типу.

У чистого напівпровідника при порушенні ковалентних зв'язків, виникає однакова кількість вільних «електронів» і «дірок».

Електропровідність напівпровідника при відсутності в ньому домішок називають власною провідністю.

У випадку коли в кристалі будуть атоми інших елементів, можна отримати перевагу електронів над дірками, або навпаки.

Домішки, що віддають початковому матеріалу електрони називають донорами.

Домішки, які призводять до виникнення дірок називають акцепторами.

Пряме і зворотне зміщення (вмикання) p-n-переходу

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Якщо до напівпровідникового кристалу з двома типами провідності прикласти зовнішню напругу так, як це показано на рис. 8.2,а ("+" до структури n-типу і "--" до структури р-типу), то вона створить у запираючому шарі електричне поле напруженістю Езовн, яке співпадає з напрямком поля нерухомих іонів Езап. Це приводить до розширення запираючого шару (рис. 8.2, а), збільшення опору р--n-переходу. Струм через нього дуже малий, оскільки він створюється неосновними носіями зарядів, тобто електронами в р-шарі і дірками в n-шарі. Цей струм називають зворотним, а р--n- перехід у такому стані -- закритим.

Якщо змінити полярність зовнішньої напруги (рис. 8.2, б), то зовнішнє поле буде спрямоване назустріч запираючому; запираючий шар стає вужчим і, при наявності напруги 0,3 ч 0,5 В, опір р--п- переходу різко зменшується і виникає відносно великий струм.

Повна вольт-амперна характеристика (ВАХ) р--n - переходу показана на рис. 8.3. Вона є суттєво нелінійною.

На ділянці 1 Езовн < Езап і прямий струм малий. На ділянці 2 Езовн>Езап, р--n-перехід відкритий і струм обмежено лише опором самого напівпровідника. На ділянці 3 існує лише зворотний струм за рахунок наявності невеликої кількості неосновних носіїв зарядів, тобто електронів в р-зоні і дірок в n-зоні. Із збільшенням зворотної напруги Езовн стає такою великою, що неосновні носії починають рухатися з великою швидкістю, достатньою для лавиноподібного розмноження носіїв зарядів -- електронів і дірок. Цей вид пробою р--n - переходу називають лавинним.

Властивості чистих та легованих напівпровідників, а також р--n-переходу використовують в двохелектродних напівпровідникових приладах -- резисторах та діодах. У більш складних приладах -- транзисторах і тиристорах -- використовують електричні властивості, які утворюються взаємодією декількох р--n- переходів.

Класифікація напівпровідникових приладів

Прилади, принцип дії яких засновано на використанні властивостей напівпровідників, називають напівпровідниковими.

Класифікація напівпровідникових приладів

Напівпровідникові резистори і діоди є двохелектродними приладами. Транзистори і тиристори мають три електроди (виводи). Тиристори можуть бути і двохелектродними.

Електричні характеристики напівпровідникових резисторів визначають властивості однорідного напівпровідникового матеріалу, з якого вони виготовлені. Напівпровідниковий матеріал може мати один з двох типів електропровідності, які позначають латинськими літерами р та n.

У напівпровідникових діодах використовують напівпровідники з різними типами електропровідності, які утворюють один так званий р--n-перехід. Електричні характеристики діода визначають електричні властивості такого р--n -переходу.

У біполярних транзисторах використовують два р--n-переходи. Взаємодія цих переходів визначає електричні властивості транзисторів. У польових транзисторах застосовують напівпровідники з різними типами провідностей і використовують взаємодію одного з цих однорідних напівпровідників з р--n-переходом.

У тиристорах застосовують напівпровідники з різними типами електропровідності, які утворюють три і більше р--n - переходи.

У напівпровідникових фотоелектричних приладах використовують ефект генерації світла і зміни електричних характеристик напівпровідникових структур під впливом електромагнітного опромінювання оптичного діапазону.

Комбіновані напівпровідникові прилади являють собою декілька різних напівпровідникових приладів, об'єднаних в одному корпусі.

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми -- мікроелектронні вироби, які виконують певну функцію обробки сигналу і в яких всі елементи та міжелементні з'єднання виконані в об'ємі та на поверхні напівпровідника.

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод має один р-n-перехід та два виводи (електроди). Робота діодів ґрунтується на однобічній провідності р-n-переходу. Звичайно діоди мають герметичні корпуси, що сприяють відведенню тепла.

Напівпровідникові діоди класифікуються за різними ознаками:

а) типом конструкції переходу (точкові, площинні),

б) функціональними ознаками (випрямні, стабілітрони, варикапи, імпульсні, детекторні, перетворювальні тощо);

в) основним матеріалом (германієві, кремнієві та деякі інші);

г) фізичними процесами (лавинно-пролітні, тунельні, діоди Шоткі, фотодіоди, світлодіоди та інші);

д) граничними технічними параметрами (малострумні, малопотужні, середньої потужності, великої потужності, низькочастотні, надвисокочастотні та інші).

Умовне позначення діода:

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Прямий струм діода спрямований від анода до катода.

Пряме увімкнення діода (коли на анод подається позитивний заряд джерела живлення) характеризується дуже малим опором р-п-переходу.

Зворотне увімкнення (на аноді - негативний потенціал) характеризується великим опором переходу.

Вольт-амперна характеристика діода (рис. 8.2) показує, що при зворотному увімкненні при деякому значенні зворотного струму можливий електричний пробій р-n-переходу - створення провідного каналу в р-n-переході. При пробої зворотний струм діода різко зростає за величиною.

Випрямні напівпровідникові діоди призначені для випрямляння змінного струму (перетворення його на струм одного напрямку).

Якщо скористатися однаковим масштабом струмів і напруг для прямого і зворотного напрямків, ВАХ діода буде мати вигляд:

Стабілітрони.

Для стабілізації напруги використовують напівпровідникові діоди, що називаються стабілітронами.

Робочою ділянкою ВАХ стабілітрона є ділянка зворотної вітки ВАХ р-nЇпереходу у зоні електричного пробою.

Під час зміни струму через стабілітрон від Iст.min до Іcт.max напруга на стабілітроні незначно зростає на 2U. Середньому значенню струму стабілітрона Іcт відповідає напруга стабілізації Ucт. Можливі відхилення від напруги стабілізації складають звичайно U=(0,050,2)Ucт.

Таким чином, досить великі зміни зворотного струму майже не змінюють напругу на стабілітроні.

Мінімальні і максимальні робочі струми напівпровідникових стабілітронів дорівнюють Icт = 1 10 мA, a І cт.max = 50 2000 ма.

Напруга стабілізації Ucт може знаходитись у межах Ucт = 1 1000 В. Але найчастіше в електронних пристроях систем автоматизації застосовуються стабілітрони з Ucт = 3,3 + 24 В і з Іст.mах =5 70 мА.

Застосовуються і більш потужні стабілітрони, наприклад, Д815, які мають Ucт=4,715 В і струм Icт=0,51 А.

Стабілітрони використовують у параметричних стабілізаторах напруги. Приклад найпростішої схеми вмикання стабілітрона наведено:

паралельно до резистора навантаження Rнв під'єднано стабілітрон VD;

баластний резистор Rs застосовується для досягнення робочого режиму стабілітрона. 8.4.1.

Транзистором називається напівпровідниковий триелектродний прилад, призначений для підсилення, генерування або перетворення електричних сигналів і перемикання електричних імпульсів у схемах.

Транзистори підрозділяються на біполярні та уніполярні.

Біполярні транзистори (або просто транзистори) -- це прилади, в яких струм зумовлений рухом носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).

В уніполярних (або польових) транзисторах струм зумовлений рухом носіїв зарядів лише одного знаку (електронами чи дірками).

Біполярний транзистор -- це напівпровідниковий прилад, що має два р-п-переходи та три електроди.

Середній електрод називається базою (Б), два крайніх -- емітером (Е) та колектором (К). Емітер позначають стрілкою.

Треба пам'ятати, що завжди стрілка спрямована із р-області у п-область.

Розрізняють два типи біполярних транзисторів: р-п-р-типу та п-р-п-типу.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Умовне позначення біполярних транзисторів

Транзистор умовно можна уявити як два послідовно з'єднаних діоди в одному корпусі. Якщо діоди мають спільні катоди, вони створюють транзистор типу р--п--р, а якщо спільні аноди -- транзистор типу п--р--п.

Завжди емітерний перехід увімкнений прямо, а колекторний -- зворотно.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Через те, що емітерний перехід вмикається прямо, то він має малий опір. Колекторний перехід умикається зворотно і має дуже великий опір. До емітера прикладається невелика напруга, а до колектора дуже велика (десятки вольт). Малою зміною струму емітерного переходу можна керувати великими змінами струму у колі колектора, тобто навантаження. Таким чином, транзистор підсилює потужність.

У якості підсилювального елемента транзистор застосовується в схемах підсилювачів електричних сигналів.

Змінна електрична величина подається на вхід підсилювача. За допомогою енергії джерела живлення підсилювач забезпечує на навантаженні форму вхідного сигналу, величина якого підвищується.

Транзистор може бути ввімкнений у схему підсилювача (підсилювальний каскад) трьома різними способами:

за схемою із загальною базою,

із загальним емітером,

із загальним колектором.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Принцип підсилювання електричних коливань у різних схемах однаковий, але кожна із схем має відмінні від інших властивості.

В схемі із загальною базою транзистор має великий коефіцієнт підсилення за напругою і потужністю (до тисячі).

Важливою перевагою схеми із загальним емітером порівняно зі схемами із загальною базою та загальним колектором є велике підсилення за струмом.

Коефіцієнт підсилення за напругою для схеми із загальним емітером приблизно такий, як і в схемі з загальною базою.

Коефіцієнт підсилення за потужністю для схеми із загальним емітером досягає декількох тисяч.

У схемі з загальним колектором вхідний опір дуже великий (десятки й сотні кілоом), а вихідний -- дуже малий (десятки або сотні Ом). Тому каскад із загальним колектором має коефіцієнт підсилення за напругою менше одиниці, за струмом -- більше десяти, а за потужністю -- менше, ніж за струмом.

Ця схема використовується в основному для узгодження опорів між окремими каскадами або між виходом підсилювача і низькоомним навантаженням.

Характеристики транзисторів

Важливим показником підсилювальних і інших властивостей транзистора є сімейство його характеристик: статичних і динамічних.

Статичною називається характеристика транзистора, що описує взаємозв'язок між вхідними та вихідними струмами та напругами, коли у вихідному колі немає навантаження.

Застосовуються такі статичні характеристики біполярних транзисторів:

а) вхідні;

б) вихідні;

в) перехідні.

Вхідна характеристика -- це залежність Iвх =f(Uвх) при сталій напрузі на виході (Uвих = const).

Вихідна характеристика -- це залежність Iвих=f(Uвих) при сталому вхідному струмі (Iвх = const).

Перехідна характеристика (характеристика підсилення) -- це залежність Iвих =f(Iвх) при сталій напрузі на виході (Uвих = const).

Вхідні і вихідні характеристики будують експериментально, а перехідні можна побудувати за допомогою сім'ї вихідних характеристик.

Статичні характеристики біполярних транзисторів різні для кожної зі схем вмикання транзисторів.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

На рис. 8.2.10 наведено вхідні статичні характеристики транзистора р-п-р-типу, що увімкнений за схемою із спільним емітером.

Вхідна характеристика (вольт-амперна характеристика емітерного переходу) являє собою звичайну праву вітку вольт-амперної характеристики діода. Напівпровідниковий транзистор не можна чисто механічно уявляти у вигляді двох діодів, тому що процеси в одному переході впливають на процеси в іншому. Вигляд вхідної характеристики залежить від напруги між емітером та колектором.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вихідна характеристика нагадує вольт-амперну характеристику діода, що увімкнений зворотно. На струм колектора значною мірою впливає струм бази. У робочій області струм колектора незначно залежить від напруги між колектором та емітером (рис. 8.2.11).

Размещено на Allbest.ru