Напівпровідники діоди транзистори їх пристрій та робота. Шпаргалка: Напівпровідникові діоди та транзистори, сфери їх застосування. Біополярні та польові транзистори
Одностороння провідність контактів двох напівпровідників (або металу з напівпровідником) використовується для випрямлення та перетворення змінних струмів. Якщо є один електронно-дірковий перехід, то його дія аналогічна дії двох-
електродної лампи - діода. Тому напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід, називається напівпровідниковий (кристалічний) діод. Напівпровідникові діоди за конструкцією діляться на точкові і площинні. Якщо через діод у прямому напрямку пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому утворюється шар, що має р-провідність. На межі цього шару утворюється р-п-перехід, що має високий коефіцієнт випрямлення. Завдяки малій ємності контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.
p-n-Переходи мають не тільки прекрасні властивості, що випрямляють, але можуть бути використані також для посилення, а якщо в схему ввести зворотний зв'язок, то і для генерування електричних коливань. Прилади, призначені для цих цілей,
отримали назву напівпровідникових тріодів або транзисторів. Для виготовлення транзисторів використовуються германій та кремній, так як вони характеризуються великою механічною міцністю, хімічною стійкістю та більшою, ніж в інших.
напівпровідниках, рухливістю носіїв струму Напівпровідникові тріоди діляться на точкові і площинні. Перші значно посилюють напругу, але їх вихідні потужності малі через небезпеку перегріву (наприклад, верхня межа робочої
температури точкового германієвого тріода лежить у межах 50 - 80 ° С). Площинні тріоди є потужнішими. Вони можуть бути типу р-п-рта типу п-р-пзалежно від чергування областей із різною провідністю. Транзисторскладається з бази (Середня частина транзистора), емітера і колектора (Прилеглі до бази з обох сторін області з іншим типом проводи-
мости). Між емітером і базою прикладається постійна напруга, що зміщує в прямому напрямку, а між базою і колектором - постійна зміщувальна напруга в зворотному напрямку. Змінна напруга, що посилюється, подає-
ся на вхідний опір , а посилене знімається з вихідного опору. Перебіг струму в ланцюзі емітера
обумовлено в основному рухом дірок (вони є основними носіями струму) та супроводжується їх упорскуванням - інжекцією - До області бази. Прониклі в базу дірки дифундують у напрямку до колектора, причому при невеликій товщі-
Не бази значної частини інжектованих дірок досягає колектора. Тут дірки захоплюються полем, що діє всередині переходу (притягуються до негативно зарядженого колектора), внаслідок чого змінюється струм колектора. Отже, вся-
яка зміна струму в ланцюзі емітера викликає зміну струму в ланцюзі колектора. Транзистор, подібно до електронної лампи,
дає посилення і напруги, і потужності.
25. (Сила Лоренца. Робота сили Лоренца. Ефект Холла)
Сила, що діє електричний заряд Q,що рухається в магнітному полі зі швидкістюV , називається силою Лоренца і виражається формулою, де У- Індукція магнітного поля, в якому заряд рухається.
Модуль сили Лоренца , де α - кут між vі Ст.Сила Лоренца завжди перпендикулярна швидкості руху зарядженої частки, тому вона змінює лише напрямок цієї швидкості, не змінюючи її модуля. Отже, сила Лоренца
роботи не здійснює. Іншими словами, постійне магнітне поле не здійснює роботи над зарядженою частинкою, що рухається в ньому, і кінетична енергія цієї частинки при русі в магнітному полі не змінюється. Якщо на електричний, що рухається
заряд крім магнітного поля з індукцією Удіє й електричне поле із напруженістю Е,то результуюча сила F,прикладена до заряду дорівнює векторній сумі сил - сили, що діє з боку електричного поля, і сили Лоренца: 
Напрямок сили Лоренца і напрямок відхилення зарядженої частинки в магнітному полі, що викликається нею, залежать від знака заряду Qчастки.
Ефект Холла (1879) - це виникнення у металі (або напівпровіднику) зі струмом щільністю j,поміщеному в магнітне поле В,електричного поля в напрямку, перпендикулярному У доj. Помістимо металеву пластинку зі струмом щільністю jу магнітне
поле В,перпендикулярне j. При даному напрямку jшвидкість носіїв струму в металі – електронів – спрямована праворуч наліво. Електрони зазнають дії сили Лоренца, яка в даному випадку спрямована нагору. Таким чином, у верхнього краю пластинки виникне підвищена концентрація електронів (він зарядиться негативно), а у нижнього – їхній недолік (зарядиться позитивно). Внаслідок цього між краями пластинки виникне додаткове поперечне електричне поле. Єв,спрямоване знизу нагору. Коли напруженість Євцього поперечного поля досягне такої величини, що його дія на заряди врівноважуватиме силу Лоренца, то встановиться стаціонарний розподіл зарядів у поперечному напрямку.
Тоді де а- ширина платівки; ∆ф - поперечна (холівська) різниця потенціалів.
Враховуючи, що сила струму I = jS = nevS (S- площа поперечного перерізу пластинки завтовшки d, n- Концентрація електронів, v - середня швидкість упорядкованого руху електронів,j-щільність струму = env), отримаємот. холлівська поперечна різниця потенціалів пропорційна магнітній індукції В,силі струму / і обернено пропорційна товщині пластинки d.
- постійна Холла, залежить від речовини. завиміряному значенню постійної Холла можна: 1) визначити кон-
центрацію носіїв струму у провіднику (при відомих характері провідності та заряді носіїв); 2) судити про природу провідності напівпровідників, так як знак постійної Холла збігається зі знаком заряду е носіїв струму. Тому ефект
Холла - найефективніший метод вивчення енергетичного спектру носіїв струму у металах та напівпровідниках.
Підготовлено
Учнем 10 «А» класу
Школи № 610
Івчиним Олексієм
Реферат на тему:
«Напівпровідникові діоди та транзистори, області їх пременія»
1. Напівпровідники: теорія та властивості
2. Основні напівпровідникові прилади (Будова та застосування)
3. Типи напівпровідникових приладів
4. Виробництво
5. Область застосування
1.Напівпровідники: теорія та властивості
Спочатку треба познайомитися з механізмом провідності напівпровідників. А для цього потрібно зрозуміти природу зв'язків напівпровідникового кристала, що утримують атоми, один біля одного. Наприклад розглянемо кристал кремнію.
Кремній-чотиривалентний елемент. Це означає, що у зовнішній
оболонці атома є чотири електрони, порівняно слабо пов'язані
із ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює
чотирьом. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою
паоноелектронного зв'язку, званого ковалентним зв'язком. В освіті
цього зв'язку від кожного атома беруть участь по одному валентному електрону, ко-
тори відщеплюються від атомів (колективізуються кристалом) і при
своєму русі більшу частину часу проводять у просторі між
сусідніми атомами. Їхній негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного. Кожен атом утворює чотири зв'язки із сусідніми,
і будь-який валентний електрон може рухатися однією з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі по всьому кристалу.
Валентні електрони належать усьому кристалу. Парноелектронні зв'язки кремнію досить міцні і за низьких температур не розриваються. Тому кремній за низької температури не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язку з атомами, міцно прив'язані до кристалічних ґрат, і зовнішнє електричне поле не надає помітного впливу на їх рух.
Електронна провідність.
При нагріванні кремнію кінетична енергія частинок підвищується, та
настає розрив окремих зв'язків. Деякі електрони залишають свої орбіти і стають вільними, подібно до електронів у металі. В електричному полі вони переміщаються між вузлами ґрат, утворюючи електричний струм.
Провідність напівпровідників обумовлена наявністю у вільних металів
електронів електронів називають електронною провідністю. У разі підвищення температури кількість розірваних зв'язків, отже, і вільних електронів збільшується. При нагріванні від 300 до 700 К кількість вільних носіїв заряду збільшується від 10-17 до 10-24 1/м3. Це призводить до зменшення опору.
Діркова провідність.
При розриві зв'язку утворюється вакантне місце з недостатнім електроном.
Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд проти іншими, нормальними зв'язками. Становище дірки в кристалі перестав бути незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один
з електронів, що забезпечують зв'язок атомів, перескакує на місце про-
дірки, що розвалилися, і відновлює тут парноелектронний зв'язок.
а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким
Таким чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.
Якщо напруженість електричного поля у зразку дорівнює нулю, то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається безладно і тому не створює електричного струму. За наявності електричного поля виникає впорядковане переміщення дірок, і таким чином до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок. Напрямок руху дірок протилежний напрямку руху електронів.
Отже, у напівпровідниках є носії заряду двох типів: електрони та дірки. Тому напівпровідники мають не тільки електронну, а й дірочну провідність. Провідність за цих умов називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як мало число вільних електронів, наприклад, у Німеччині при кімнатній температурі ne = 3 на 10-23 см -3. У той же час кількість атомів германію в 1 см кубічному порядку 10-23. Таким чином, кількість вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдну частину від загальної кількості атомів.
Істотна особливість напівпровідників у тому, що у них
за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає
додаткова – домішкова провідність. Змінюючи концентрацію
домішки, можна значно змінювати кількість носіїв заряду
чи іншого знака. Завдяки цьому можна створювати напівпровідники з
переважною концентрацією або негативно, або поклади-
тельно заряджених носіїв. Ця особливість напівпровідників відкрит-
дає широкі можливості для практичного застосування.
Донорні домішки.
Виявляється, що за наявності домішок, наприклад атомів миш'яку, навіть за дуже малої їх концентрації, кількість вільних електронів зростає в
багато разів. Відбувається це з наступних причин. Атоми миш'яку мають п'ять валентних електронів, чотири їх беруть участь у створенні ковалентного зв'язку даного атома з оточуючими, наприклад з атомами кремнію. П'ятий валентний електрон виявляється слабко пов'язаним із атомом. Він легко залишає атом миш'яку і стає вільним. Концентрація вільних електронів значно зростає, і у тисячу разів більше концентрації вільних електронів у чистому напівпровіднику. Домішки, які легко віддають електрони називають донорними, і такі напівпровідники є напівпровідниками n-типу. У напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.
Акцепторні домішки.
Якщо як домішку використовувати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника змінюється. Тепер для утворення нормальних парноелектронних зв'язків із сусідами атому Індія не
дістає електрона. В результаті утворюється дірка. Число дірок у кріс-
талле дорівнює числу атомів домішки. Такі домішки на-
зують акцепторними (приймають). За наявності електричного поля
дірки перемішуються по полю і виникає діркова провідність. По-
лупроводники з переважанням дірочкою провідності над електрон-
ній називають напівпронодників р-типу (від слова positiv - позитивний).
2.Основні напівпровідникові прилади (Будова та застосування)
Існують два основних напівпровідникових приладів: діод та транзистор.
У час для випрямлення електричної струму в радіосхемах поряд з двоелектродними лампами все більше застосовують напівпровідниках діоди, так як вони мають ряд переваг. В електронній лампі носії заряду електрони з'являються за рахунок нагрівання катода. У p-n переході носії заряду утворюється при введенні в кристал акцепторної або донорної домішки. Отже, тут відпадає необхідність джерела енергії для отримання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, що виходить за рахунок цього, виявляється досить значною. Крім того, напівпровідникові випрямлячі за тих же значень випрямленого струму більш мініатюрні, ніж лампові.
Напівпровідникові діоди виготовляють із германію, кремнію. селену та інших речовин. Розглянемо як створюється p-n перехід під час використання днорної домішки, цей перехід не вдасться отримати шляхом механічного з'єднання двох напівпровідників різних типів, т.к. при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Ця товщина повинна бути не більше міжатомних відстаней. Тому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів індії індія в глиб монокристала германня біля поверхні германію перетворюється область з провідністю р-типу. Інша частина зразка германії, в яку атоми індмя нс проникли, як і раніше має провідність n-типу. Між областями виникає p-n перехід. Напівпровідниковий діод германій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показано пряме (б) та зворотне (в) під'єднання діода. Вольт-амперна характеристика при прямому та зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.
Замінили лампи, що дуже широко використовуються в техніку, в основному для випрямлячів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.
транзистор.
Розглянемо один із видів транзистора з германію або кремнію з введеними в них донорними та акцепторними домішками. Розподіл домішок такий, що створюється дуже тонкий (близько кількох мікрометрів) прошарок напівпровідника n-типу між двома шарами напівпровідника р-типу рис. 3. Цей тонкий прошарок називають основою або базою. У кристалі утворюються два р-n-переходи, прямі напрямки яких протилежні. Три висновки від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор до схеми, зображеної на малюнку 3. При цьому включенні лівий р-n перехід є прямим і відокремлює базу від області з провідністю р-типу, яка називається емітером. Якби не було правого р -n -переходу, в ланцюзі емітер - база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1 і джерела змінного напря-
ження) і опору ланцюга, включаючи мале опір прямого пе-
реходу емітер – база. Батарея Б2 включена так, що правий р-n-перехід у схемі (див. рис. 3) є зворотним. Він відокремлює базу від правої області з провідністю р-типу, що називається колектором. Якби не було лівого p-n-переходу, сила струму та ланцюга колектора була б близька до нуля. Оскільки опір зворотного переходу дуже великий. При існуванні ж струму в лівому р-n переході з'являється струм і в ланцюги колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в емітері. вони є вже леосновними носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і число основних носіїв (електронів) в ній невелика, дірки, що потрапили в неї, майже не поєднуються (не рекомбінують) з електронами бази і проникають н колектор за рахунок дифузії. Правий р-n-перехід закритий основних носіїв заряду бази – електронів, але з дірок. У колекторі дірки захоплюються електричним полем та замикають ланцюг. Сила струму, що відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, тому що площа перерізу бази в горизонтальній площині набагато менше перерізу у вертикальній площині. Сила струму в колекторі, практично рівна силі струму в емітері, змінюється разом із струмом в емітері. Опір резистора R 
мало впливає струм у колекторі, і це опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела змінної напруги, включеного до його ланцюга, ми отримаємо синхронну зміну напруги на резисторі. При великому опір резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміну сигналу в ланцюзі емітера. Це означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевищує потужність, що надходить у ланцюг емітера. Вони замінюють електронні лампи, що широко використовуються в техніці. Напівпровідниковим діодом називається прилад з двома виходами та одним електиронно-дірковим переходом
Напівпровідникові діоди застосовуються в пристроях радіоелектроніки, автоматики та обчислювальної техніки, силової перетворювальної техніки. Діоди великої потужності використовуються в силових установках для живлення тягових електродвигунів, приводу верстатів та механізмів.
Напівпровідникові діоди мають ряд переваг у порівнянні з електронними лампами: невеликі габарити, малу масу, високий ККД, відсутність джерела електронів, що розжарюється, великий термін служби, високу надійність.
Важлива властивість напівпровідникових діодів – одностороння провідність – широко застосовується у пристроях випрямлення, обмеження та перетворення електричних сигналів.
Діоди класифікуються за призначенням, фізичними властивостями, основними електричними параметрами, конструктивно-технологічними ознаками (точкові та площинні), вихідним напівпровідниковим матеріалом.
За функціональним призначенням розрізняють напівпровідникові діоди: випрямні, імпульсні, стабілітрони (опорні), фотодіоди, світловипромінюючі діоди.
1. Випрямляючі призначені для перетворення змінного струму на постійний і використовують властивість р-н переходу, а також інших електричних переходів добре проводити струм в одному напрямку і погано – у протилежному. Ці струми і відповідні напруги називають прямими і зворотними струмами та напругами. розрізняють низько та високочастотні випрямні діоди. Перші застосовують у перетворювальних пристроях енергетичної електроніки, другі – для перетворення радіосигналів
2. імпульсні призначені для переважної роботи в імпульсних пристроях. Їхні властивості визначають параметри, що враховують інерційність перемикання діода: ємність переходу, інтервал часу відновлення зворотного опору
3. стабілітрони призначені для стабілізації постійної напруги та обмеження викидів напруги. У цих діодах використовується явище неруйнівного електричного пробою р-н переходу при деяких значеннях зворотної напруги. Важливим параметром є температурний коефіцієнт стабілізації напруги.
В основу маркування покладено буквено-цифровий код
Перша буква чи цифра позначає матеріал напівпровідникового кристала: 1або Р – германій; 2 – К – кремній; 3-А – арсенід галію
Друга літера позначать клас діода: Д-випрямний, Аі - НВЧ діоди, В - варикап, С-стабілітрон, І-тунельний діод;
3 наступні цифри характеризують тип або сферу застосування 101-399 - випрямлення змінного струму, 401-499 - робота у високочастотних або понад частотних ланцюгах, 501-599 - імпульсні системи
Остання цифра - означає конструктивні або інші особливості діода
Транзисторами називаються активні напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими р-н переходами та трьома висновками, що застосовуються для посилення та генерування електричних коливань. (у зв'язку, телебаченні, радіолокації, радіонавігації, автоматиці, телемеханіці, обчислювальній та вимірювальній техніці.)
Транзистор мати тришарову структуру, що складається з областей, що чергуються з різними типами електропровідності р-н-р або н-р-н Принцип дії транзистора заснований на використанні фізичних процесів, що відбуваються при перенесенні основних електричних зарядів з емітерної області в колекторну (крайні зони) через базу (Середня зона). Призначенням емітерного переходу є інжекція (впорскування) основних носіїв емітеру до базової області
Розрізняють 4 режими роботи транзистора:
Активний (перехід емітер-база включений у прямому напрямку а перехід колектор-база – у зворотному)
Інверсний (перехід емітер-база включений у зворотному напрямку а перехід колектор-база – у прямому)
Режим відсічки – обидва переходи включені у зворотному напрямку
Режим насичення - обидва переходи включені у прямому напрямку
Недоліком транзистора є відносно висока нестабільність параметрів і характеристик. Причини нестабільності: вплив температури довкілля, зміна параметрів при старінні з часом, розкид параметрів у процесі виготовлення однотипних транзисторів.
Транзистори класифікуються за матеріалом, способом руху неосновних носіїв у базовій області, потужності та частоті, призначенню та способу виготовлення
Напівпровідниковий діодназивається двоелектродний прилад, що має односторонню провідність. В основі його конструкції лежить рівноважний р-nперехід. За характером утворення переходу діоди поділяються на точкові та площинні.
Для перетворення, посилення та генерування електричних коливань широке застосування знайшли напівпровідникові тріоди. транзистори. Для роботи транзистора необхідно мати два електронно-діркові переходи, як напівпровідник часто використовується германій.
У транзисторах, які використовують n-р-nперехід, напівпровідник р-типа знаходиться між напівпровідниками n-Типу, Пристрій площинного біполярного транзистора показано на малюнку 2.7.
Мал. 2.7. Принцип влаштування транзистора та зображення транзисторів на схемах.
У цьому транзисторі n-р-nтипу є середня область з дірковою провідністю і дві крайні області з електронною провідністю. Середня область транзистора називається - базою, одна крайня область – емітером , інша – колектор.Таким чином, у транзисторі є два n-рпереходу: емітерний– між емітером та базою та колекторний- між базою та колектором. Відстань з-поміж них має бути дуже малим, трохи більше одиниць мікрометрів, тобто. область бази має бути дуже тонкою. Це є умовою хорошої роботи транзистора. Крім того, концентрація домішок у базі завжди значно менша, ніж у колекторі та емітері. На схематичних зображеннях транзисторів стрілка показує напрямок струму (умовне, від плюса до мінуса) у дроті емітера при прямій напрузі на емітерному переході.
Розглянемо роботу транзистора в режимі без навантаження, коли включені тільки джерела постійної напруги живлення Е 1 і Е 2 (рис 2.8).
Полярність їх така, що у емітерному переході напруга пряме, але в колекторному переході – зворотне. Тому опір емітерного переходу мало і отримання нормального струму в цьому переході достатньо напруги Е 1 в десяті частки вольта. Опір колеткторного переходу велике, і напруга Е 2 зазвичай становить одиниці чи десятки вольт.
Мал. 2.8. Рух електронів та дірок у транзисторі n-р-n типу.
Принцип роботи транзистора у тому, що пряме напруга емітерного переходу, т. е. ділянки база – емітер, істотно впливає струм колектора: що більше це напруга, то більше вписувалося струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише трохи менше змін струму емітера. Отже, напруга між базою та емітером Е 1 , тобто. вхідна напруга, керує струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора ґрунтується саме на цьому явищі.
Фізичні процеси у транзисторі відбуваються в такий спосіб. При збільшенні прямої вхідної напруги Е 1 знижується потенційний бар'єр в емітерному переході і відповідно зростає струм через цей перехід - струм емітера iе. Електрони цього струму інжектуються з емітера в основу і завдяки дифузії проникають крізь основу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотному напрузі, то цьому переході виникають об'ємні заряди, показані малюнку кружечками зі знаками « + » і « – ». Між ними з'являється електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, які сюди від емітера, тобто. втягує електрони в область колекторного переходу.
Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок у ній невелика, більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в основі з дірками. В результаті рекомбінації виникає струм бази, що протікає у дроті бази. Дійсно, в режимі, що встановився, число дірок в базі має бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду скільки дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямку до полюса джерела Е 1 таке ж число електронів. Інакше висловлюючись, в основі неспроможна накопичуватися багато електронів.
Якби база мала значну товщину і концентрація дірок у ній була велика, то більшість електронів емітерного струму, дифузуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу.
Під дією вхідної напруги виникає значний струм емітера, в ділянку бази з боку емітера інжектуються електрони, які для цієї галузі є неосновними носіями. Не встигаючи рекомбінувати з дірками під час дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більший струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу і тим меншим стає його опір. Відповідно збільшується струм колектора. Інакше висловлюючись, зі збільшенням струму емітера в основі збільшується концентрація неосновних носіїв, інжектованих з емітера, чим більше цих носіїв, тим більше струм колекторного переходу, тобто. струм колектора і до .
Слід зазначити, що емітер і колектор можна міняти місцями (так званий інверсний режим). Але на транзисторах, як правило, колекторний перехід робиться зі значно більшою площею, ніж емітерний перехід, оскільки потужність, що розсіюється в колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, що розсіюється в емітерному. Тому якщо використовувати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати лише за значно меншої потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в такому разі називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати як емітер або колектор.
Ми розглянули фізичні явища транзисторі типу n-p-n. Подібні процеси відбуваються і в транзисторі типу p-n-p, але в ньому змінюються ролями електрони і дірки, а також змінюються на зворотні полярності напруг і напрями струмів.
Найбільш поширені три способи включення транзисторів:
- схема із загальною базою, коли вхід емітера та вихід колектора
підключені до загальної бази;
- у схемі із загальним емітеромвихідний ланцюг колектора
підключається до емітера замість бази;
- схема із загальним колектором, інакше звана емітернимповторілем.
Висновок: 1. Наявність домішок у напівпровідниках обумовлює порушення рівності між кількістю дірок та електронів, і електричний струм буде створений переважно зарядами одного знака залежно від того, що переважає у напівпровіднику.
2. В основі конструкції будь-якого напівпровідникового приладу лежать рівноважні р-nпереходи.
Підготовлено
Учнем 10 «А» класу
Школи № 610
Івчиним Олексієм
Реферат на тему:
«Напівпровідниковідіоди та транзистори, області їх пременія»
2.Основні напівпровідникові прилади (Будова та застосування)
3. Типи напівпровідникових приладів
4.Виробництво
5. Область застосування
1.Напівпровідники: теорія та властивості
Спочатку треба познайомитися з механізмом провідності у напівпровідниках. А для цього потрібно зрозуміти природу зв'язків, що утримують атоми напівпровідникового кристала один біля одного. Для прикладу розглянемо кристал кремнію.
Кремній-чотиривалентний елемент. Це означає, що у зовнішній
оболонці атома є чотири електрони, порівняно слабко пов'язані
із ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює
чотирьом. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою
паоноелектронного зв'язку, званого ковалентним зв'язком. Утворенні
цього зв'язку від кожного атома беруть участь по одномувалентному електрону, ко-
тори відщеплюються від атомів (колективізуються кристалом) і при
своєму русі більшу частину часу проводять у просторі між
сусідніми атомами. Їхній негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного. Кожен атом утворює чотири зв'язки з сусідніми,
і будь-який валентний електрон може рухатися однією з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього кристала.
Валентні електрони належать всьому кристалу. Парноелектронні зв'язки кремнію досить міцні і за низьких температур не розриваються. Тому кремній при низькій температурі не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язку з атомами, міцно прив'язані до кристалічної решітці, і зовнішнє електричне поле не надає помітного впливу на їх рух.
Електронна провідність.
При нагріванні кремнію кінетична енергія частинок підвищується, та
настає розрив окремих зв'язків. Деякі електрони залишають свої орбіти і стають вільними, подібно до електронів у металі. У електричному полі вони переміщаються між вузлами решітки, утворюючи електричний струм.
Провідність напівпровідників обумовлена наявністю вільних уметалів
електронів електронів, називають електронною провідністю. У разі підвищення температури кількість розірваних зв'язків, отже, і вільних електронів збільшується. При нагріванні від 300 до 700 До число вільних носіїв заряду збільшується від 10-17 до 10-24 1/м3. Це призводить до зменшення опору.
Діркова провідність.
При розриві зв'язку утворюється вакантне місце з недостатнім електроном.
Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд проти іншими, нормальними зв'язками. Положення дірки в кристалі не є незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один
з електронів, що забезпечують зв'язок атомів, перескакує на місце про-
дірки, що розвалилися, і відновлює тут парноелектронний зв'язок.
а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким
Таким чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.
Якщо напруженість електричного поля у зразку дорівнює нулю то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається безладно і тому не створює електричного струму. За наявності електричного поля виникає впорядковане переміщення дірок, і, таким чином, до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок. Напрямок руху дірок протилежно напрямку руху електронів.
Отже, у напівпровідниках є носії заряду двотипів: електрони та дірки. Тому напівпровідники мають не тільки електронну, а й дірочну провідність. Провідність за цих умов називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як мало число вільних електронів, наприклад, у Німеччині при кімнатній температурі ne = 3 на 10-23 см -3. У той же час число атомів германію в 1 см кубічному порядку 10-23. Таким чином, число вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдну частину від загального числа атомів.
Істотна особливість напівпровідників полягає в тому, що в них
за наявності домішок поряд з власною провідністю виникає
додаткова – домішкова провідність. Змінюючи концентрацію
домішки, можна значно змінювати кількість носіїв заряду того
чи іншого знака. Завдяки цьому можна створювати напівпровідники з
переважною концентрацією або негативно, або поклади-
тельно заряджених носіїв. Ця особливість напівпровідників відкрит-
дає широкі можливості для практичного застосування.
Донорні домішки.
Виявляється, що за наявності домішок, наприклад атомів миш'яку, навіть за дуже малої їх концентрації, кількість вільних електронів зростає в
багато разів. Відбувається це з наступних причин. Атомимиш'яка мають п'ять валентних електронів, чотири з них беруть участь у створенні ковалентного зв'язку даного атома з оточуючими, наприклад з атомами кремнію. П'ятий валентний електрон виявляється слабко пов'язаним з атомом. Він легко залишає атом миш'яку і стає вільним. Концентрація вільних електронів значно зростає, і у тисячу разів більше концентрації вільних електронів у чистому напівпровіднику. Домішки, що легко віддають електрони називають донорними, і такі напівпровідники є напівпровідниками n-типу. У напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.
Акцепторні домішки.
Якщо як домішки використовувати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника змінюється. Тепер для утворення нормальних парноелектронних зв'язків із сусідами атому не
дістає електрона. В результаті утворюється дірка. Числодір у кріс-
талле дорівнює числу атомів домішки. Такого роду домішки-
зують акцепторними (приймають). За наявності електричного поля
дірки перемішуються по полю і виникає діркова провідність. По-
лупроводники з переважанням дірочкою провідності наделектрон-
ною називають напівпронодників р-типу (від слова positiv-позитивний).
2.Основні напівпровідникові прилади (Будова і застосування)
Існують два основні напівпровідникові прилади: діод і транзистор.
/>У час, що не стоїть, для випрямлення електричного струму в радіосхемах поряд з двоелектродними лампами все більше застосовують напівпровідниках діоди, так як вони мають ряд переваг. В електронній лампі носії заряду електрони виникають за рахунок нагрівання катода. У p-nпереході носії заряду утворюється при введенні в кристал акцепторної абодонорної домішки. Отже, тут відпадає необхідність джерела енергіїдля отримання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, що виходить за рахунок цього, виявляється досить значною. Крім того, напівпровідникові випрямлячі при тих же значеннях випрямленого струму більш мініатюрні, ніж лампові.
Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію. селену та іншихречовин. Розглянемо як створюється p-n перехід при використанні донної домішки, цей перехід не вдасться отримати шляхом механічного з'єднання двонапівпровідників різних типів, т.к. при цьому виходить занадто великий зазор між напівпровідниками. Ця товщина повинна бути не більше міжатомних відстаней. Тому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів індії індія в глиб монокристала германня біля поверхні германію перетворюється область з провідністю р-типу. Інша частина зразка германії, в яку атоми індмя нс проникли, як і раніше має проводиться n-типу. Між областями виникає p-n перехід. Напівпровідниковий діодегерманій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показано пряме (б) і зворотне (в) під'єднання діода.
Вольт-амперна характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.
Замінили лампи, дуже широко використовуються в техніку, в основному для випрямлячів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.
транзистор.
Розглянемо один з видів транзистора з германію або кремнію з введеними в них донорними та акцепторними домішками. Розподіл домішок такий, що створюється дуже тонка (порядка декількох мікрометрів) прошарок напівпровідника n-типу між двома шарами напівпровідника р-типаріс. 3. Цей тонкий прошарок називають основою або базою. У кристалі утворюються два р-n-переходи, прямі напрямки яких протилежні. Трививоду від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор до схеми, зображеної на малюнку 3. При цьому включенні
лівий р-n перехід є прямим і відокремлює базу області з провідністю р-типу, звану емітером. Якби не було правого р-n -переходу, в ланцюзі емітер - база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1 і джерела змінного напря-
ження) і опору ланцюга, включаючи мале опір прямого пе-
Реходу емітер - база. Батарея Б2 включена так, що правий р-n-перехід у схемі (див. рис. 3) є зворотним. Він відокремлює базу від правої області з провідністю р-типу, що називається колектором. Якби не було лівого p-n-переходу, сила струму та ланцюга колектора була б близька до нуля. Оскільки опір зворотного переходу дуже великий. При створенні напруги в лівому р -n переході з'являється струм і в ланцюзі колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в емітері. носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і кількість основних носіїв (електронів) в ній невелика, що потрапили в неї дірки майже не поєднуються (не рекомбінують) з електронамібази і проникають н колектор за рахунок дифузії. Правий р-n-перехід закритий для основних носіїв заряду бази – електронів, але з дірок. У колектородирки захоплюються електричним полем і замикають ланцюг. Сила струму, що відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, оскільки площа перерізу бази в горизонтальній (див. рис. 3) площині набагато менше перерізу у вертикальній площині. Сила струму в колекторі, практично рівна силі струму в емітері, змінюється разом із струмом в емітері. Опір резистора R мало впливає на струм в колекторі, і цей опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела перемінної напруги, включеного в його ланцюг, ми отримаємо синхронну зміну напруги на резистори. При великому опір резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміну сигналу в цепіемітера. Це означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевищує потужність, що надходить у ланцюг емітера. Вони замінюють електронні лампи, широко використовуються в техніці.
3. Типи напівпровідникових приладів.
/> Крім площинних діодів рис 8 і транзисторів існують ще й точкові діоди рис 4,. Точкові транзистори (будова див на малюнку) перед зміною його формують тобто. пропускають струм певної величини, внаслідок чого під вістрям дроту утворюються область з дірковою провідністю. Транзистори бувають p-n-p та n-p-n типів. Позначення та загальний видно на рисунку 5.
Існують фото-і термо-резистори та варистори вигляд на малюнку. До площинних діодів відносяться селенові випрямлячі. Основою такого діода служить сталева шайба, покрита з одного боку шаром селену, що є напівпровідником з дірковою провідністю вид на рис 7 . Поверхностселена покрита сплавом кадмію, в результаті чого утворюється плівка що володіє електронною провідністю, внаслідок чого утворюється перехід випрямляє струм. Чим більше площа, тим більше струм, що випрімається.
4. Виробництво
/>Технологія виготовлення діодатакова. На поверхні квадратної пластинки площею 2-4 см у кв і товщиною за кілька часток міліметра, вирізаної з кристала напівпровідника з електронною провідністю, розплавляють шматочок індію. Індій міцно сплавляється спластинкою. При цьому атоми індію проникають (дифузують) в товщу пластинки, утворюючи в ній область з переважанням діркової провідності. Чим тонша пластинка напівпровідника. тим менше опір діода в прямому напрямку, тим більше виправлений діодом струм. Контактамидіода служать крапелька Індія та металевий диск або стрижень з вивіднимипровідниками
Після складання транзистора його монтують у корпус, приєднують ел. висновки до контактних пластин кристала та виведенням корпусу ігерметизують корпус.
5. Область застосування
Діоди мають велику надійність, але межа їх зміни від -70 до 125 С. Т.к. у точкового діода площа зіткнення дуже мала, тому струми, які можуть випрямляти такі діоди не більше 10-15 ма. І їх використовують в основному для модуляції коливань високої частоти та для вимірювальних приладів. Для будь-якого діода існують деякі гранично допустимі межі прямого і зворотного струму, що залежать від прямої та зворотної напруги і визначальні його випромляючі та міцнісні св-ва.
Транзистори, як і діоди, чутливі до температури і перевантаження і проникаючим випромінюванням. Транзистори на відміну від радіоламп згоряють від неправильного підключення.
