Salutare tuturor cititorilor circuite radio ", mă numesc Dima și astăzi vă voi spune în cuvinte simple și proprietățile lor, precum și tranzistori și diode. Deci, să începem, mai întâi amintiți-vă ce elemente electronice ați întâlnit? Și principiul lor de funcționare? Dacă imediat a început să studieze diodele și tranzistoarele, atunci veți avea multe întrebări.Prin urmare, este mai bine să începeți cu legea lui Ohm și apoi să treceți la proiecte mai simple.Tranzistoarele și diodele nu sunt elemente foarte simple care au proprietatea unui semiconductor.
Știi cum funcționează un explorator simplu - nimic complicat. Electronii trec prin atom cu viteză mare, ciocnind cu ei. În același timp, apare și rezistență, ai întâlnit deja acest cuvânt, bineînțeles că ai făcut-o. Iată cel mai bun prieten al rezistenței numit rezistor. Un rezistor este un element pasiv care are o rezistență mai mare decât un conductor convențional. Bine, să mergem mai departe, trebuie să aflăm ce este un semiconductor? Un semiconductor dintr-o legătură atomică are electroni în plus, se numesc electroni liberi și există găuri. Găurile sunt locuri goale unde ar trebui să fie electronii. Figura 1 prezintă structura internă a legăturilor interatomice ale unui semiconductor.
Figura 1. Structura internă a legăturilor interatomice ale unui semiconductor.
Acum să ne dăm seama cum un semiconductor trece curentul. Imaginați-vă că am conectat un semiconductor la o celulă galvanică, cum ar fi o baterie convențională. Curentul începe să se miște de la plus la minus. În timpul fenomenelor termice, electronii care trec printr-un semiconductor încep să smulgă electroni din legăturile interatomice. Apar găuri, iar electronii liberi sunt însoțiți de electroni care trec ai celulei galvanice. Aceiași electroni care cad pe gaură vor sări, parcă, în ea, restabilind legătura interatomică. Mai simplu spus, într-un semiconductor, atunci când i se aplică un curent, legăturile interatomice sunt rupte, electronii zboară și devin liberi, alții umplu găurile, întâlnindu-se pe drum. Și acest proces continuă la nesfârșit. Figura 2 prezintă mișcarea electronilor.
Figura 2. Mișcarea și direcția electronilor și a găurilor.
Diode semiconductoare
Deci, ne-am dat seama ce este un semiconductor și care este principiul său de funcționare. Acum să începem cu diode, nu cu cele mai simple elemente electronice. Am vorbit deja despre joncțiunea p-n mai sus. Acum, mai detaliat: p este pozitiv (pozitiv, pozitiv), n este negativ (negativ, negativ). Să vedem cum se mișcă electronii într-o diodă. Imaginează-ți dacă conectăm o celulă galvanică, cum ar fi bateriile, astfel încât să existe polaritate. Da - nu am înțeles polaritatea. Cunoaștem deja structura diodei: joncțiunea p-n, p - pozitiv este anodul, n - negativ este catodul. Există o bandă albă subțire pe corpul diodei - cel mai adesea este catodul, este conectat la minus, iar celălalt terminal este anodul, care este conectat la plus. Acum să ne ocupăm de mișcarea electronilor. Am conectat polaritatea cablurilor diodei, acum există un curent. Electronii regiunii pozitive încep să se miște spre minusul bateriei, iar electronii regiunii negative încep să se miște spre plus, se întâlnesc unul pe altul, electronii par să sară în găuri, ca urmare, ambii au încetat să mai existe. Această conductivitate electrică se numește conductivitate electrică electron-hole, electronii se mișcă cu rezistență mică, prezentată în Figura 3 (A). Acest curent se numește curent continuu Ipr, dar ce se întâmplă dacă schimbi polaritatea astfel încât anodul să fie conectat la minus, iar catodul la plus. Ce se va intampla? Regiunea pozitivă, mai scurtă decât găurile, va începe să se miște spre minusul bateriei, iar electronii liberi către plus, ca urmare, va apărea o regiune mare, este umbrită în Figura 3 (B). Acest curent se numește invers, care are o rezistență foarte mare, depășind câteva sute de ohmi, kilo-ohmi și chiar mega-ohmi.
Deci, ne-am dat seama de joncțiunea p-n, acum să vorbim despre scopul diodei. Diodele sunt utilizate pentru receptoarele detectoare pentru a crea un curent continuu pulsatoriu din curent alternativ. Oricum, ce este curentul alternativ? Să ne amintim. Curentul alternativ este un curent care își poate schimba direcția în timpul fiecărui semiciclu, unitate de timp. Cum poate o diodă să producă un curent pulsatoriu din curent alternativ? Și iată cum: vă amintiți că dioda trece curentul doar într-o singură direcție.
Figura 3. Mișcarea electronilor de curent invers și direct într-o diodă.
Când curentul începe să se miște de la plus la minus, trece un curent direct, liniștit, fără prea multă rezistență, dar când curentul începe să se miște de la minus la plus, apare un curent invers, pe care dioda nu îl trece. Probabil că ați văzut graficul tensiunii AC, o astfel de linie ondulată este un sunusoid. Dacă acoperiți linia de jos, obțineți un curent pulsatoriu. Deci, dioda, parcă, a tăiat partea inferioară. Curentul se va mișca într-o singură direcție - de la plus la minus. Am înţeles? Acum să trecem la tranzistori.
Tranzistoare biopolare și cu efect de câmp
Așadar, ajungem la tranzistori biopolari și cu efect de câmp. Vom studia doar tranzistoarele biopolare, iar pe cele de teren încă nu le vom atinge - le vom amâna pentru următoarea lecție. Tranzistoarele bipolare sunt uneori numiți și simpli. În general, am studiat deja semiconductorii și proprietățile lor, precum și o diodă și o joncțiune p-n. Acum ajungem la o structură mai complexă. Structura? Gândiți-vă ce este, am studiat deja structura diodei. Amintiți-vă că structura este mai mulți semiconductori, fie cu conductivitate orificiu, fie conductivitate electronică, această structură este cunoscută ca o joncțiune p-n. Un tranzistor simplu (bipolar) are două structuri. Acestea sunt structura p-n-p și structura n-p-n. Și nu ai citit constatările. Ei bine, desigur, într-un tranzistor simplu, ca și într-un tranzistor de câmp, există trei concluzii. Doar un tranzistor convențional are nume diferite de pin și un principiu diferit de funcționare. Bine, să ne uităm la structura p-n-p. Prima ieșire este baza, care are un curent de control, a doua ieșire este emițătorul, interacționează cu baza, iar a treia ieșire este colectorul, un curent crescut este eliminat din acesta. Acum să stabilim unde este concluzia și cărei zone aparține. Primul terminal este baza, aparține zonei electronice, adică „n”, apoi emițătorul aparține terminalului pozitiv, care se află în stânga bazei, iar colectorul aparține terminalului pozitiv, care este în dreapta bazei.
Deci, să ne ocupăm de principiul de funcționare al tranzistorului. Dacă curentul este direcționat către emițător și către bază, atunci obțineți o joncțiune p-n, va exista un exces de electroni, ca urmare, colectorul va colecta acest flux puternic de electroni și curentul va fi amplificat. Am uitat să spun - un tranzistor, ca o diodă, poate fi în două stări: închis și deschis. Asta este, ne-am dat seama de tranzistoare și diodele, desenul a două structuri p-n-p și n-p-n este prezentat mai jos.
Figura 4. Două structuri de tranzistori: p-n-p și n-p-n.
Acest articol s-a terminat, dacă ceva nu este clar - contactați, voi spune și vă voi răspunde. Toate pentru moment. a fost cu tine Dmitri Tsyvtsyn.
Discutați articolul TRANZISTORI ȘI DIODE SEMICONDUCTOR
Pregătit
Un elev de clasa 10 "A".
Scoala nr 610
Ivchin Alexey
Rezumat pe subiect:
„Diode și tranzistoare semiconductoare, domenii de aplicare a acestora”
1. Semiconductori: teorie și proprietăți
2. Dispozitive semiconductoare de bază (structură și aplicație)
3. Tipuri de dispozitive semiconductoare
4. Productie
5. Domeniul de aplicare
1. Semiconductori: teorie și proprietăți
Mai întâi trebuie să vă familiarizați cu mecanismul de conducere în semiconductori. Și pentru aceasta trebuie să înțelegeți natura legăturilor care țin atomii unui cristal semiconductor unul lângă celălalt. De exemplu, luați în considerare un cristal de siliciu.
Siliciul este un element tetravalent. Aceasta înseamnă că în exterior
Învelișul unui atom are patru electroni, legați relativ slab de nucleu. Numărul celor mai apropiați vecini ai fiecărui atom de siliciu este, de asemenea, de patru. Interacțiunea unei perechi de atomi vecini se realizează cu ajutorul unei legături paonoelectronice, numită legătură covalentă. La formarea acestei legături, participă câte un electron de valență de la fiecare atom, care sunt despărțiți de atomi (colectivizați de cristal) și, în timpul mișcării lor, își petrec cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre atomii vecini. Sarcina lor negativă menține ionii pozitivi de siliciu unul lângă celălalt. Fiecare atom formează patru legături cu vecinii săi și orice electron de valență se poate mișca de-a lungul unuia dintre ei. După ce a ajuns la atomul vecin, poate trece la următorul și apoi mai departe de-a lungul întregului cristal.
Electronii de valență aparțin întregului cristal. Legăturile pereche-electron ale siliciului sunt destul de puternice și nu se rup la temperaturi scăzute. Prin urmare, siliciul nu conduce electricitatea la temperaturi scăzute. Electronii de valență care participă la legarea atomilor sunt atașați ferm de rețeaua cristalină, iar câmpul electric extern nu are un efect vizibil asupra mișcării lor.
conductivitate electronică.
Când siliciul este încălzit, energia cinetică a particulelor crește și legăturile individuale se rup. Unii electroni își părăsesc orbitele și devin liberi, ca electronii dintr-un metal. Într-un câmp electric, ei se deplasează între locurile rețelei, formând un curent electric.
Conductivitatea semiconductorilor datorită prezenței electronilor liberi în metale se numește conductivitate electronică. Pe măsură ce temperatura crește, crește numărul de legături rupte și, prin urmare, numărul de electroni liberi. Când este încălzit de la 300 la 700 K, numărul de purtători de încărcare gratuită crește de la 10–17 la 10–24 1/m V3. Acest lucru duce la o scădere a rezistenței.
conducerea orificiului.
Când legătura este ruptă, se formează un loc vacant cu electronul lipsă.
Se numește gaură. Gaura are o sarcină pozitivă în exces în comparație cu restul legăturilor normale. Poziția găurii în cristal nu este fixă. Următorul proces are loc continuu. Unul dintre electronii care asigură legătura dintre atomi sare în locul găurilor formate și restabilește legătura pereche-electron aici. iar de unde a sărit electronul, se formează o nouă gaură. Astfel, gaura se poate deplasa prin tot cristalul.
Dacă intensitatea câmpului electric din probă este zero, atunci mișcarea găurilor, echivalentă cu mișcarea sarcinilor pozitive, are loc aleatoriu și, prin urmare, nu creează un curent electric. În prezența unui câmp electric, are loc o mișcare ordonată a găurilor și, astfel, la curentul electric al electronilor liberi se adaugă un curent electric asociat mișcării găurilor. Direcția de mișcare a găurilor este opusă direcției de mișcare a electronilor.
Deci, în semiconductori există două tipuri de purtători de sarcină: electroni și găuri. Prin urmare, semiconductorii au nu numai conductivitate electronică, ci și conductivitate în găuri. Conductibilitatea în aceste condiții se numește conductivitate intrinsecă a semiconductorilor. Conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor este de obicei mică, deoarece numărul de electroni liberi este mic, de exemplu, în germaniu la temperatura camerei ne = 3 cu 10 în 23 cm în -3. În același timp, numărul de atomi de germaniu în 1 cm cub este de aproximativ 10-23. Astfel, numărul de electroni liberi este de aproximativ o zece miliarde din numărul total de atomi.
O caracteristică esențială a semiconductorilor este că, în prezența impurităților, împreună cu propria conductivitate, apare una suplimentară - conductivitatea impurităților. Prin modificarea concentrației de impurități, se poate schimba semnificativ numărul de purtători de sarcină de un semn sau altul. Acest lucru face posibilă crearea semiconductorilor cu o concentrație predominantă de purtători încărcați fie negativ, fie pozitiv. Această caracteristică a semiconductorilor deschide posibilități largi pentru aplicații practice.
impurități donatoare.
Se dovedește că în prezența impurităților, cum ar fi atomii de arsen, chiar și la concentrații foarte mici, numărul de electroni liberi crește de multe ori. Acest lucru se întâmplă din următorul motiv. Atomii de arsen au cinci electroni de valență, dintre care patru sunt implicați în crearea unei legături covalente a unui anumit atom cu alții, cum ar fi atomii de siliciu. Al cincilea electron de valență este slab legat de atom. Părăsește ușor atomul de arsen și devine liber. Concentrația de electroni liberi crește semnificativ și devine de o mie de ori mai mare decât concentrația de electroni liberi într-un semiconductor pur. Impuritățile care donează electroni cu ușurință sunt numite impurități donor, iar astfel de semiconductori sunt semiconductori de tip n. Într-un semiconductor de tip n, electronii sunt purtătorii majoritari de sarcină, iar găurile sunt cei minori.
impurități acceptoare.
Dacă indiul, ai cărui atomi sunt trivalenți, este folosit ca impuritate, atunci natura conductibilității semiconductorului se schimbă. Acum, pentru formarea legăturilor normale de pereche-electron cu vecinii, atomului de indiu îi lipsește un electron. Ca rezultat, se formează o gaură. Numărul de găuri dintr-un cristal este egal cu numărul de atomi de impurități. Astfel de impurități sunt numite impurități acceptoare (de acceptare). În prezența unui câmp electric, găurile se deplasează de-a lungul câmpului și are loc conducerea găurii. Semiconductorii cu predominanța conducției prin orificii asupra conducției electronice se numesc semiconductori de tip p (de la cuvântul pozitiv - pozitiv).
2.Dispozitive semiconductoare de bază (structură și aplicație)
Există două dispozitive semiconductoare principale: diodă și tranzistor.
Diodă.
În prezent, diodele semiconductoare sunt din ce în ce mai folosite pentru a redresa curentul electric în circuitele radio, împreună cu lămpile cu doi electrozi, deoarece au o serie de avantaje. Într-un tub vid, purtătorii de sarcină, electroni, sunt generați prin încălzirea catodului. În joncțiunea p-n, purtătorii de sarcină se formează atunci când o impuritate acceptor sau donor este introdusă în cristal.Astfel, nu este nevoie de o sursă de energie pentru a obține purtători de sarcină. În circuitele complexe, economiile de energie rezultate din aceasta se dovedesc a fi foarte semnificative. În plus, redresoarele cu semiconductori cu aceleași valori ale curentului redresat sunt mai miniaturale decât cele cu lampă.
Caracteristica curent-tensiune pentru conexiunea directă și inversă este prezentată în Figura 2.
Au înlocuit lămpile, sunt foarte utilizate în tehnologie, în principal pentru redresoare, iar diodele și-au găsit aplicație și în diverse dispozitive.
tranzistor.
Să luăm în considerare unul dintre tipurile de tranzistor din germaniu sau siliciu cu impurități donor și acceptoare introduse în ele. Distribuția impurităților este astfel încât între cele două straturi semiconductoare de tip p se creează un strat semiconductor de tip n foarte subțire (de ordinul a câțiva micrometri) (Fig. 3.
Acest strat subțire se numește bază sau bază.În cristal se formează două joncțiuni p-n, ale căror direcții directe sunt opuse. Trei terminale din regiuni cu diferite tipuri de conductivitate permit ca tranzistorul să fie inclus în circuitul prezentat în Figura 3. Cu această includere, joncțiunea p-n din stânga este directă și separă baza de regiunea cu conductivitate de tip p, numită emițător. Dacă nu ar exista p -n drept
-jonctiune, in circuitul emitator-baza ar exista un curent in functie de tensiunea surselor (bateria B1 si sursa de tensiune AC) si rezistenta circuitului, inclusiv rezistenta scazuta a jonctiunii emitator direct-baza. Bateria B2 este conectată astfel încât joncțiunea dreapta pn din circuit (vezi Fig. 3) este inversată. Separă baza de regiunea dreaptă de tip p numită colector. Dacă nu ar exista o joncțiune p-n stângă, puterea curentului și circuitul colectorului ar fi aproape de zero. Deoarece rezistența tranziției inverse este foarte mare. Dacă există un curent în joncțiunea p-n din stânga, apare și un curent în circuitul colectorului, iar curentul din colector este doar puțin mai mic decât curentul din emițător. Când se creează o tensiune între emițător și bază, purtători principali ai semiconductorului de tip p - găurile pătrund în bază, gdr sunt deja purtători majori. Deoarece grosimea bazei este foarte mică și numărul de purtători principali (electroni) din ea este mic, găurile care au căzut în ea aproape că nu se combină (nu se recombină) cu electronii bazei și pătrund în colector datorită la difuzie. Joncțiunea p-n dreaptă este închisă pentru purtătorii de sarcină principali ai bazei - electroni, dar nu și pentru găuri. În colector, găurile sunt purtate de câmpul electric și închid circuitul.
Puterea ramificării curentului în circuitul emițător de la bază este foarte mică, deoarece aria secțiunii transversale a bazei în plan orizontal (vezi Fig. 3) este mult mai mică decât secțiunea transversală în planul vertical . Curentul din colector, care este aproape egal cu curentul din emițător, se modifică odată cu curentul din emițător.
Rezistența rezistorului R are un efect redus asupra curentului colectorului, iar această rezistență poate fi făcută destul de mare. Prin controlul curentului emițătorului cu o sursă de tensiune AC inclusă în circuitul său, vom obține o modificare sincronă a tensiunii pe rezistor. Cu o rezistență mare a rezistorului, modificarea tensiunii peste acesta poate fi de zeci de mii de ori mai mare decât modificarea semnalului din circuitul emițătorului, ceea ce înseamnă amplificarea tensiunii. Prin urmare, la sarcina R, se pot obține semnale electrice a căror putere este de multe ori mai mare decât puterea care intră în circuitul emițător.Ele înlocuiesc tuburile de vid și sunt utilizate pe scară largă în tehnologie.
3. Tipuri de dispozitive semiconductoare.
Pe lângă diodele plane din Fig. 8 și tranzistoare, există și diode punctiforme în Fig. 4. Tranzistoarele punctiforme (vezi structura din figură) sunt modelate înainte de utilizare, adică. trece un curent de o anumită magnitudine, în urma căruia se formează o regiune cu conductivitate a găurii sub vârful firului. Tranzistoarele sunt de tip p-n-p și n-p-n. Denumire și vedere generală în Figura 5.
Există foto și rezistențe termice și varistoare, vezi figură. Diodele planare includ redresoare cu seleniu.Baza unei astfel de diode este o șaibă de oțel, acoperită pe o parte cu un strat de seleniu, care este un semiconductor cu conductivitate în orificii (vezi Fig. 7). Suprafața seleniului este acoperită cu un aliaj de cadmiu, în urma căruia se formează o peliculă cu conductivitate electronică, în urma căreia se formează o tranziție de curent de redresare.Cu cât suprafața este mai mare, cu atât curentul de redresare este mai mare.
4. Productie
Tehnologia de fabricație a diodei este următoarea. O bucată de indiu este topită pe suprafața unei plăci pătrate cu o suprafață de 2-4 cm2 și o grosime de câteva fracțiuni de milimetru, tăiată dintr-un cristal semiconductor cu conductivitate electronică. Indiul fuzionează puternic cu placa.În același timp, atomii de indiu pătrund
(difuză) în grosimea plăcii, formând în ea o regiune cu predominanță a conductibilității orificiului. Cu cât placheta semiconductoare este mai subțire. cu cât rezistența diodei în direcția înainte este mai mică, cu atât este mai mare curentul redresat de diodă. Contactele diodei sunt o picătură de indiu și un disc metalic sau tijă cu fire de plumb.
După asamblarea tranzistorului, acesta se montează într-o carcasă, se conectează un e-mail. bornele la plăcile de contact ale cristalului și la ieșirea pachetului și sigilați pachetul.
5. Domeniul de aplicare
Diodele sunt foarte fiabile, dar limita de utilizare a acestora este de la -70 la 125 C. Din moment ce. pentru o diodă punctuală, aria de contact este foarte mică, astfel încât curenții pe care astfel de diode îi pot redresa nu sunt mai mari de 10-15 mA. Și sunt folosite în principal pentru modularea oscilațiilor de înaltă frecvență și pentru instrumente de măsură. Pentru orice diodă, există anumite limite maxime admisibile pentru curent direct și invers, în funcție de tensiunea directă și inversă și determinând proprietățile de redresare și rezistență.
Tranzistoarele, ca și diodele, sunt sensibile la temperatură și la suprasarcină și la radiația penetrantă. Tranzistorii, spre deosebire de tuburile radio, se ard din cauza unei conexiuni necorespunzătoare.
-----------------------
Figura 2
Poza 1
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 4
1. Semiconductori: teorie și proprietăți
2. Dispozitive semiconductoare de bază (structură și aplicație)
3. Tipuri de dispozitive semiconductoare
4. Productie
5. Domeniul de aplicare
1. Semiconductori: teorie și proprietăți
Mai întâi trebuie să vă familiarizați cu mecanismul de conducere în semiconductori. Și pentru aceasta trebuie să înțelegeți natura legăturilor care țin atomii unui cristal semiconductor unul lângă celălalt. De exemplu, luați în considerare un cristal de siliciu.
Siliciul este un element tetravalent. Aceasta înseamnă că în exterior
învelișul unui atom are patru electroni, legați relativ slab
cu un miez. Numărul celor mai apropiați vecini ai fiecărui atom de siliciu este, de asemenea, egal cu
patru. Interacțiunea unei perechi de atomi vecini se realizează folosind
legatura paonoelectronica, numita legatura covalenta. In educatie
această legătură de la fiecare atom implică un electron de valență, care
care sunt despărțiți de atomi (colectivizați de cristal) și
își petrec cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre
atomi vecini. Sarcina lor negativă menține ionii pozitivi de siliciu unul lângă celălalt. Fiecare atom formează patru legături cu vecinii săi,
și orice electron de valență se poate deplasa de-a lungul unuia dintre ele. După ce a ajuns la atomul vecin, poate trece la următorul și apoi mai departe de-a lungul întregului cristal.
Electronii de valență aparțin întregului cristal. Legăturile pereche-electron ale siliciului sunt destul de puternice și nu se rup la temperaturi scăzute. Prin urmare, siliciul nu conduce electricitatea la temperaturi scăzute. Electronii de valență care participă la legarea atomilor sunt atașați ferm de rețeaua cristalină, iar câmpul electric extern nu are un efect vizibil asupra mișcării lor.
conductivitate electronică.
Când siliciul este încălzit, energia cinetică a particulelor crește și
legăturile sunt rupte. Unii electroni își părăsesc orbitele și devin liberi, ca electronii dintr-un metal. Într-un câmp electric, ei se deplasează între locurile rețelei, formând un curent electric.
Conductivitatea semiconductorilor datorită prezenței metalelor libere în metale
electroni ai electronilor, se numește conductivitate electronică. Pe măsură ce temperatura crește, crește numărul de legături rupte și, prin urmare, numărul de electroni liberi. Când este încălzit de la 300 la 700 K, numărul de purtători de încărcare gratuită crește de la 10–17 la 10–24 1/m V3. Acest lucru duce la o scădere a rezistenței.
conducerea orificiului.
Când legătura este ruptă, se formează un loc vacant cu electronul lipsă.
Se numește gaură. Gaura are o sarcină pozitivă în exces în comparație cu restul legăturilor normale. Poziția găurii în cristal nu este fixă. Următorul proces are loc continuu. unu
de la electronii care asigură legătura atomilor, sare la locul de
a dezvoltat găuri și restabilește legătura pereche-electron aici.
iar de unde a sărit electronul, se formează o nouă gaură. Asa de
Astfel, gaura se poate deplasa prin tot cristalul.
Dacă intensitatea câmpului electric din probă este zero, atunci mișcarea găurilor, echivalentă cu mișcarea sarcinilor pozitive, are loc aleatoriu și, prin urmare, nu creează un curent electric. În prezența unui câmp electric, are loc o mișcare ordonată a găurilor și, astfel, la curentul electric al electronilor liberi se adaugă un curent electric asociat mișcării găurilor. Direcția de mișcare a găurilor este opusă direcției de mișcare a electronilor.
Deci, în semiconductori există două tipuri de purtători de sarcină: electroni și găuri. Prin urmare, semiconductorii au nu numai conductivitate electronică, ci și conductivitate în găuri. Conductibilitatea în aceste condiții se numește conductivitate intrinsecă a semiconductorilor. Conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor este de obicei mică, deoarece numărul de electroni liberi este mic, de exemplu, în germaniu la temperatura camerei ne = 3 cu 10 în 23 cm în -3. În același timp, numărul de atomi de germaniu în 1 cm cub este de aproximativ 10-23. Astfel, numărul de electroni liberi este de aproximativ o zece miliarde din numărul total de atomi.
O caracteristică esențială a semiconductoarelor este că aceștia
în prezența impurităților, împreună cu conductivitatea intrinsecă,
suplimentar - conductivitatea impurităților. Prin modificarea concentrației
impurități, puteți modifica semnificativ numărul de purtători de încărcare în plus
sau vreun alt semn. Acest lucru face posibilă crearea semiconductorilor cu
concentrare predominantă fie negativ, fie pozitiv
transportatori puternic incarcati. Această caracteristică a semiconductorilor este deschisă
oferă oportunități ample de aplicare practică.
impurități donatoare.
Se dovedește că în prezența impurităților, cum ar fi atomii de arsen, chiar și la concentrații foarte mici, numărul de electroni liberi crește în
multe ori. Acest lucru se întâmplă din următorul motiv. Atomii de arsen au cinci electroni de valență, dintre care patru sunt implicați în crearea unei legături covalente a unui anumit atom cu alții, cum ar fi atomii de siliciu. Al cincilea electron de valență este slab legat de atom. Părăsește ușor atomul de arsen și devine liber. Concentrația de electroni liberi crește semnificativ și devine de o mie de ori mai mare decât concentrația de electroni liberi într-un semiconductor pur. Impuritățile care donează electroni cu ușurință sunt numite impurități donor, iar astfel de semiconductori sunt semiconductori de tip n. Într-un semiconductor de tip n, electronii sunt purtătorii majoritari de sarcină, iar găurile sunt cei minori.
impurități acceptoare.
Dacă indiul, ai cărui atomi sunt trivalenți, este folosit ca impuritate, atunci natura conductibilității semiconductorului se schimbă. Acum, pentru formarea de legături normale pereche-electron cu vecinii, atomul de indiu nu
primește un electron. Ca rezultat, se formează o gaură. Numărul de găuri din cristal
tala este egală cu numărul de atomi de impurități. Acest tip de impurități
se numesc acceptori. În prezența unui câmp electric
găurile se deplasează de-a lungul câmpului și are loc conducerea găurii. De-
semiconductori cu o predominanță a conducerii orificiilor asupra electronilor
Noe se numește semiconductori de tip p (de la cuvântul pozitiv - pozitiv).
2.Dispozitive semiconductoare de bază (structură și aplicație)
Există două dispozitive semiconductoare principale: diodă și tranzistor.
În prezent, diodele semiconductoare sunt din ce în ce mai folosite pentru a redresa curentul electric în circuitele radio, împreună cu lămpile cu doi electrozi, deoarece au o serie de avantaje. Într-un tub vid, purtătorii de sarcină, electroni, sunt generați prin încălzirea catodului. În joncțiunea p-n, purtătorii de sarcină se formează atunci când o impuritate acceptor sau donor este introdusă în cristal.Astfel, nu este nevoie de o sursă de energie pentru a obține purtători de sarcină. În circuitele complexe, economiile de energie rezultate din aceasta se dovedesc a fi foarte semnificative. În plus, redresoarele cu semiconductori cu aceleași valori ale curentului redresat sunt mai miniaturale decât cele cu lampă.
Conducția unilaterală a contactelor a doi semiconductori (sau metal cu un semiconductor) este utilizată pentru a redresa și a converti curenții alternativi. Dacă există o tranziție electron-gaură, atunci acțiunea sa este similară cu acțiunea unei lămpi cu doi electrozi - o diodă (vezi § 105). Prin urmare, un dispozitiv semiconductor care conține unul district-se numeste tranzitie semiconductor (cristalin) diodă. Diodele semiconductoare prin proiectare sunt împărțite în punctși plană.
Orez. 339 Fig. 340
Ca exemplu, luați în considerare o diodă punctiformă cu germaniu (Fig. 339), în care un fir subțire de tungsten 1 este apăsat împotriva n-Germania 2 cu vârf acoperit cu aluminiu. Dacă un impuls de curent de scurtă durată este trecut prin diodă în direcția înainte, atunci difuzia Al în Ge crește brusc și se formează un strat de germaniu, îmbogățit în aluminiu și având R-conductivitate. La limita acestui strat, district joncțiune cu un factor de rectificare ridicat. Datorită capacității scăzute a stratului de contact, diodele punctiforme sunt utilizate ca detectoare (redresoare) de oscilații de înaltă frecvență până la intervalul de lungimi de undă centimetrică.
O diagramă schematică a unui redresor plan cu oxid de cupru (cuprox) este dată în fig. 340. Pe o placă de cupru se formează cu ajutorul tratamentului chimic un strat de oxid cupros Cu 2 O, care este acoperit cu un strat de argint. Electrodul de argint servește doar la pornirea redresorului din circuit. O parte a stratului de Cu 2 O adiacent cu Cu și îmbogățit cu acesta are conductivitate electronică, iar partea stratului de Cu 2 O adiacentă cu Ag și îmbogățită (în timpul fabricării redresorului) cu oxigen are conductivitate în găuri. Astfel, în grosimea oxidului cupros, se formează un strat de barieră cu direcția de curgere a curentului de la Cu 2 O la Cu ().
Tehnologia de fabricare a unei diode planare cu germaniu este descrisă în § 249 (vezi Fig. 325). De asemenea, comune sunt diodele cu seleniu și diodele pe bază de arseniură de galiu și carbură de siliciu. Diodele luate în considerare au o serie de avantaje în comparație cu tuburile de vid (dimensiuni de gabarit mici, eficiență și durată de viață ridicată, disponibilitate constantă pentru funcționare etc.), dar sunt foarte sensibile la temperatură, astfel încât intervalul lor de temperatură de funcționare este limitat (de la –70 până la +120°С). p-n- Tranzițiile au nu numai proprietăți excelente de redresare, dar pot fi folosite și pentru amplificare, iar dacă feedback-ul este introdus în circuit, atunci pentru generarea de oscilații electrice. Dispozitivele concepute în acest scop sunt numite triode semiconductoare sau tranzistoare(Primul tranzistor a fost creat în 1949 de către fizicienii americani D. Bardeen, W. Brattain și W. Shockley; Premiul Nobel în 1956).
Pentru fabricarea tranzistoarelor, se utilizează germaniu și siliciu, deoarece se caracterizează prin rezistență mecanică ridicată, rezistență chimică și mobilitate mai mare a purtătorilor de curent decât în alte semiconductori. Triodele semiconductoare sunt împărțite în punctși plană. Primele cresc semnificativ tensiunea, dar puterile lor de ieșire sunt scăzute din cauza pericolului de supraîncălzire (de exemplu, limita superioară a temperaturii de funcționare a unei triode de germaniu punctual se află în intervalul 50 - 80 ° C). Triodele planare sunt mai puternice. Ele pot fi de acest tip r-p-rși tip p-r-pîn funcţie de alternanţa regiunilor cu conductivitate diferită.
De exemplu, luați în considerare principiul de funcționare al unei triode plane r-p-r, adică bazat pe triodă n-semiconductor (Fig. 341). „Electrozii” de lucru ai triodei, care sunt baza(partea de mijloc a tranzistorului), emițătorși colector(adiacent bazei pe ambele părți ale zonei cu un tip diferit de conductivitate), sunt incluse în circuit folosind contacte neredresoare - conductori metalici. O tensiune de polarizare DC este aplicată între emițător și bază în direcția înainte, iar o tensiune de polarizare DC în direcția inversă este aplicată între bază și colector. Tensiunea alternativă amplificată este aplicată rezistenței de intrare, iar cea amplificată este îndepărtată din rezistența de ieșire
Fluxul de curent în circuitul emițător se datorează în principal mișcării găurilor (sunt principalii purtători de curent) și este însoțit de „injecția” lor - injecţie- spre zona de bază. Găurile care au pătruns în bază difuzează spre colector, iar la o grosime mică a bazei, o parte semnificativă din găurile injectate ajunge la colector. Aici, găurile sunt captate de câmpul care acționează în interiorul joncțiunii (atrase de colectorul încărcat negativ) și modifică curentul colectorului. Prin urmare, orice modificare a curentului în circuitul emițătorului provoacă o schimbare a curentului în circuitul colectorului.
Aplicând o tensiune alternativă între emițător și bază, obținem un curent alternativ în circuitul colector, și o tensiune alternativă la rezistența de ieșire. Cantitatea de câștig depinde de proprietăți pn-tranzitii, rezistente de sarcina si tensiunea bateriei B k. De obicei >>, prin urmare, depaseste semnificativ tensiunea de intrare (castigul poate ajunge la 10.000). Deoarece puterea de curent alternativ disipată poate fi mai mare decât cea consumată în circuitul emițătorului, tranzistorul asigură și amplificarea puterii. Această putere amplificată provine de la o sursă de curent inclusă în circuitul colectorului.
Din cele de mai sus rezultă că tranzistorul, ca un tub cu vid, oferă amplificarea atât a tensiunii, cât și a puterii. Dacă în lampă curentul anodic este controlat de tensiunea de pe rețea, atunci în tranzistor curentul de colector corespunzător curentului anodic al lămpii este controlat de tensiunea de pe bază.
Principiul de funcționare al tranzistorului p-r-p-tipul este similar cu cel discutat mai sus, dar rolul găurilor este jucat de electroni. Există și alte tipuri de tranzistoare, precum și alte circuite pentru pornirea lor. Datorită avantajelor sale față de tuburile de vid (dimensiuni de gabarit mici, eficiență și durată de viață ridicate, fără catod încălzit și, prin urmare, consum mai mic de energie, fără nevoie de vid etc.), tranzistorul a revoluționat domeniul comunicațiilor electronice și a asigurat crearea. a calculatoarelor de mare viteză cu o cantitate mare de memorie.
întrebări de testare
- Care este esența aproximării adiabatice și a aproximării câmpului auto-consistent?
- Care este diferența dintre stările energetice ale electronilor dintr-un atom izolat și dintr-un cristal? Care sunt zonele energetice interzise și permise?
- Cum diferă semiconductorii și dielectricii în teoria benzilor? metale și dielectrice?
- Când, conform teoriei benzilor, un corp solid este conductor de curent electric?
- Cum se explică creșterea conductivității semiconductorilor odată cu creșterea temperaturii?
- Ce determină conductivitatea semiconductorilor intrinseci?
- De ce este nivelul Fermi într-un semiconductor intrinsec situat în mijlocul bandgap-ului? Demonstrează această poziție.
- Care este mecanismul conducției electronice a impurităților în semiconductori? conductivitate a impurităților orificiilor?
- De ce predomină conductivitatea intrinsecă în semiconductorii dopați la temperaturi suficient de ridicate?
- Care este mecanismul fotoconductivității intrinseci? fotoconductivitate impurităților? Care este limita roșie a fotoconductivității?
- Conform teoriei benzilor, care sunt mecanismele de apariție a fluorescenței și fosforescenței?
- Care sunt cauzele diferenței de potențial de contact?
- Care este esența fenomenelor termoelectrice? Cum se explică apariția lor?
- Când un strat de contact de blocare apare atunci când un metal intră în contact cu un semiconductor n-tip? cu un semiconductor R-tip? Explicați mecanismul formării sale.
- Cum se explică conducerea unidirecțională r-p-tranziție?
- Care este caracteristica curent-tensiune pn-tranziție? Explicați originea curentului direct și invers.
- În ce direcție într-o diodă semiconductoare este debitul de curent?
- De ce o diodă semiconductoare transportă un curent (deși unul mic) chiar și cu o tensiune de blocare?
Sarcini
31.1. Proba de germaniu este încălzită de la 0 la 17°C. Presupunând că banda interzisă a siliciului este de 0,72 eV, determinați de câte ori va crește conductivitatea sa specifică. [2,45 ori]
31.2. Un mic amestec de bor este introdus în siliciu pur. Folosind sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev, determinați și explicați tipul de conductivitate a siliciului impur.
31.3. Determinați lungimea de undă la care fotoconductivitatea este încă excitată într-un semiconductor de impurități.
dioda semiconductoare Un element electronic care nu amplifică semnalul este numit cu o joncțiune electron-gaură și două fire de la anod și catod.
Diodele sunt folosite în circuitele electronice pentru a converti parametrii semnalelor electrice (rectificare, stabilizare). Diodele diferă ca design ( punct, avion) și conform simbolului de pe diagrame (în funcție de scopul funcțional).
Principiul de funcționare o ilustrează dioda caracteristici volt-amper, acestea. dependența curentului de tensiunea aplicată, (Fig. 1), din care se poate observa că dioda are conducere unilaterală(trece curentul în sens înainte și practic nu trece în sens opus).
Dioda este conectată în direcția înainte când polul pozitiv este conectat la anodul A, iar polul negativ al sursei de curent este conectat la catodul K. Aceasta corespunde ramurii caracteristice din primul cadran. Un curent direct mare I PR trece prin diodă.
Când este conectat la verso direcție (plus - către catod, minus - către anod), curentul invers I OBR care trece prin diodă este foarte mic (mkA).
În acest caz, curentul continuu, după cum se poate observa din Fig. 1, depinde în mod semnificativ de temperatura mediu (crește cu temperatura).
Orez. 1. Caracteristica curent-tensiune a diodei.
Caracteristicile diodei:
Pe lângă tensiunea curentă considerată, principalele caracteristici ale diodei includ:
Curent direct maxim eu ETC ;
Rezistenta la temperatura t 0 max ;
Tensiune inversă maximă U KP .
Rezistenta DC R 0 = U ETC / eu ETC ;
rezistență AC R i = Δ U ETC / Δ eu ETC ;
Panta curent-tensiune S = Δ eu ETC / Δ U ETC ;
Pierderea de putere la anod P A = U ETC eu ETC ;
Domeniul de aplicare al diodelor: rectificare AC; stabilizarea tensiunii; lucru în aparate fotovoltaice; lucru în circuite cu microunde etc.
tranzistoare
Tranzistoare - dispozitive semiconductoare cu două r-p tranziții care permit a intari semnal electric și având de obicei trei ieșiri. Ele sunt împărțite în două grupe - bipolară și unipolară(camp). Principalele circuite pentru pornirea unui tranzistor bipolar sunt: bază comună, emițător comun și colector comun. Depinde de tipul de circuit de comutare prin care parametru tranzistorul amplifică semnalul (în tensiune, curent etc.).
tranzistor bipolar numit dispozitiv semiconductor cu o structură cu trei straturi cu tipuri alternative de conductivitate și două r-p tranziții, permițându-vă să amplificați semnalele electrice și având trei concluzii. Distinge direct (p-n-p) și invers (n-p-n) tranzistori, diferența dintre care este polaritate conectarea surselor de alimentare.
Componentele unui tranzistor corespund straturilor sale și se numesc: emițător- emițător de încărcare, baza- baza si colector- colector de sarcină. Straturile au
conductivitate diferită: extremă (emițător și colector) - perforatp, iar baza dintre ele - electronicn(Fig. 2).
Colector de bază emițător
euuh eula
IntrareIeșire
Orez. 2. Bipolar p- n- p tranzistor de bază comună
Luați în considerare principiul de funcționare al tranzistorului. După cum se vede în fig. 2, tranzistorul are două joncțiuni: p- nși n- p. Prima tranziție ( p- n) este inclusă în direct direcție, adică minus k n-zonă, plus k R– zona – la emițător. Prin urmare, un curent continuu va trece prin această tranziție. A doua tranziție ( n- p) este inclusă în verso direcție, adică plus la baza ( n- suprafață), și minus k R– zone – către colector. Dacă deschideți circuitul emițătorului (de intrare), această tranziție, care este sub versoU K pornind, va fi practic închis.
Dacă închideți circuitul emițătorului (aplicați un semnal de intrare), prin primul (deschis) p- n joncțiunea va curge un curent continuu format prin injectarea găurilor în bază. Deoarece grosimea bazei este mică, iar semiconductorii din care sunt făcute emițătorul și baza sunt selectați cu concentrații diferite ale purtătorilor majoritari, i.e. concentrația de găuri în emițător este mult mai mare decât concentrația de electroni din bază, vor fi atât de multe găuri care au căzut în bază încât doar o mică parte dintre ele vor găsi electronii necesari recombinării în bază. Prin urmare, găurile de intrare care nu s-au recombinat cu electronii încep să se deplaseze în acele regiuni ale bazei care sunt adiacente colectorului. Găuri pozitive care se apropie de joncțiunea colectorului, experimentând acțiunea unui câmp puternic de accelerare de la o baterie puternică a colectorului U K, trece în colector și recombină cu electronii care vin în colector de la polul negativ al bateriei. Ca rezultat, un curent de colector va începe să curgă prin joncțiunea colectorului eu K, în ciuda faptului că la joncțiune se aplică o tensiune inversă. Acest curent de colector va fi 90 - 95% din curentul emițătorului (datorită numărului mic de găuri de recombinare și rămase în bază). Dar cel mai important lucru este că valoarea curentului colectorului va depinde de valoarea curentului emițătorului și se va schimba proporțional cu modificarea acestuia. Într-adevăr, cu cât este mai mare curentul prin joncțiunea emițătorului, adică cu cât emițătorul injectează mai multe găuri în bază, cu atât este mai mare curentul colectorului, care depinde de numărul acestor găuri. De aici rezultă o concluzie importantă:
Prin controlul curentului emițătorului tranzistorului, se poate controla astfel curentul colectorului și, în acest caz, are loc un efect de amplificare.
Această proprietate a determinat domeniul de aplicare al tranzistorilor din circuitele amplificatoare. Deci, de exemplu, circuitul considerat pentru pornirea unui tranzistor cu o bază comună va da amplificare de tensiune și putere a semnalului de intrare, deoarece impedanța de ieșire a sarcinii Rn cu selectarea adecvată a tensiunii bateriei Ula poate fi semnificativ mai mare decât rezistența la intrarea amplificatorului, adică R H >> R VX, și intrarea (emițător eu E) și ieșire (colector eu La) curenții sunt aproximativ egali. De aici tensiunea și puterea furnizate la intrare U VX = eu VX * R VX ; Pîn= eu 2 în * Rîn mai puțin decât valorile corespunzătoare ale tensiunii și puterii la ieșire, adică în sarcină U = eu La * R H ; Pn = eu K 2 * RH. Nu există câștig de curent (pentru că eu E ~ = eu La).
Mai des, totuși, se folosește un alt circuit de comutare a tranzistorului - circuit emițător comun la care, pe lângă amplificarea puterii, există și amplificarea curentului. Schema de comutare cu colector comun utilizat atunci când se lucrează la o sarcină cu rezistență scăzută sau de la un senzor de înaltă rezistență. Factorul de amplificare al unui astfel de circuit pentru curent și putere este de câteva zeci de unități, pentru tensiune - aproximativ una.
Pentru o înțelegere corectă a principiului de funcționare a circuitelor cu tranzistori, este necesar să aveți o idee bună despre caracteristicile funcționării unui tranzistor ca amplificator, care sunt următoarele: spre deosebire de un tub vidat, un tranzistor are o rezistență scăzută de intrare în majoritatea circuitelor de comutare, drept urmare se crede că tranzistorul este controlat de curentul de intrare și nu de tensiunea de intrare; rezistența scăzută de intrare a amplificatoarelor cu tranzistori duce la un consum de putere (curent) vizibil de la sursa de oscilații amplificate, prin urmare, la aceste amplificatoare, nu câștigul de tensiune contează, ci câștigul de curent sau de putere; câștigul de putere k este determinat de raportul dintre puterea alocată la ieșirea amplificatorului în sarcina utilă și puterea cheltuită pe impedanța de intrare a amplificatorului; parametrii și caracteristicile tranzistorului depind foarte mult de temperatură și de modul selectat, ceea ce este un dezavantaj.
Caracteristicile tranzistorului:
Caracteristici de intrare, ieșire și tranzitorie, fig. 3,
Orez. 3. Caracteristicile tranzistorului: a - intrare, b - iesire, c - tranzitie
Coeficient de câștig (transmisie) în termeni generali, tensiune, curent, putere
k=ΔΧ OUT /ΔΧ IN; ΔU OUT / ΔU IN; ΔI OUT / ΔI IN; ΔP OUT / ΔP IN.
Rezistența de intrare AC a tranzistorului
R = ΔU IN / ΔI IN.
Pierderea puterii colectorului
P K = U K * I K .
Avantajele tranzistoarelor: dimensiuni mici, sensibilitate ridicată, fără inerție; durabilitate; limitări: influența semnificativă a factorilor externi (temperatură, câmpuri e/m, radiații radioactive etc.).
Domeniul de utilizare tranzistori: Comunicații prin cablu și radio; TELEVIZOR; radar; radionavigație; automatizare si telemecanica; Inginerie calculator; echipament de măsurare; circuite amplificatoare; cipuri de memorie ale dispozitivelor digitale etc.
