Тема 8.2. Полупроводниковые приборы.

Вопросы:

1. Электропроводность полупроводников.

2. Электронно-дырочный переход

3. Полупроводниковые диоды.

4. Транзисторы.

5. Тиристоры

1. Электропроводность полупроводников.

Полупроводники по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность зависит от количества свободных носителей зарядов в единице объёма вещества: чем их больше, тем лучше электропроводность.

В проводниках носителями зарядов являются электроны или ионы, а в полупроводниках – электроны и дырки. Дырки представляют собой места, покинутые электронами в, так называемой, ковалентной связи между атомами кристаллической решётки полупроводника. Дырки ведут себя как положительные заряды, имеющие такое же числовое значение, как и заряд электрона.

Электропроводность полупроводника, обусловленная наличием в нём свободных электронов, называется электронной, а наличием дырок – дырочной.

Для изготовления полупроводниковых приборов широко используют германий Ge и кремний Si. При внесении в химически чистый полупроводник некоторых элементов количество свободных носителей электрических зарядов в нём увеличивается и полупроводник приобретает ту или иную электропроводность. Например, при внесении в полупроводник сурьмы Sb или мышьяка As увеличивается количество свободных электронов, и полупроводник приобретает электронную электропроводность или электропроводность n–типа. При внесении индия In или алюминия Al увеличивается количество дырок; их становится в полупроводнике больше, чем свободных электронов. В этом случае полупроводник приобретает дырочную электропроводность или электропроводность p-типа.

2. Электронно-дырочный переход.

Небольшая область по обе стороны границы двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом.

Прямое напряжение: плюс источника присоединён к той части полупроводника, которая имеет электропроводность p-типа, а минус – к той части полупроводника, которая имеет электропроводность n – типа. При прямом напряжении ширина p-n перехода и его сопротивление становятся меньше, чем они были при отсутствии напряжения на переходе. Падение напряжения на переходе от протекающего через него тока имеют небольшое значение. Ток, протекающий через p-n переход при прямом напряжении, называют прямым током .

Обратное напряжение: плюс источника приложен к полупроводнику n-типа, а минус – к полупроводнику p-типа. При обратном напряжении сопротивление перехода по сравнению с тем сопротивлением, которое он имел при прямом напряжении, становится очень большим. Обратный ток становится настолько маленьким по сравнению с прямым, что им можно пренебречь и считать, что он через p-n переход не протекает.

Электронно-дырочный переход обладает электрической ёмкостью. Ёмкость p-n перехода при обратном напряжении называют барьерной. Изменение обратного напряжения на переходе приводит к изменению барьерной ёмкости.

На свойствах p-n перехода основан принцип действия большинства полупроводниковых приборов.

3. Полупроводниковые диоды.

Диод представляет собой двухслойную структуру, т.е. имеет две области с различными типами электропроводности. Электрод (вывод) присоединённый к n-области называют катодом, а присоединённый к p-области – анодом.

В зависимости от технологии изготовления диоды могут выполнять различные функции. Этими функциями могут быть: выпрямление переменного тока, стабилизация напряжения, функции, присущие конденсаторам.

 

Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называют вентильными или выпрямительными. Условное обозначение выпрямительного диода дано на рис. 8.4 (анод – слева; катод – справа).Их принцип действия основан на использовании свойства p-n перехода пропускать ток в одном направлении, т.е., если к аноду приложить более высокий потенциал, чем к катоду, то диод буде пропускать ток. В этом случае говорят, что диод открыт. Если более высокий потенциал будет приложен к катоду, то диод будет закрыт, т.е. не будет пропускать ток.

 

 

Диод VD открыт только в одну половину периода, когда потенциал его анода выше, чем потенциал катода. Во вторую половину периода диод закрыт.

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Он включается на обратное напряжение. Если обратный ток, проходящий через стабилитрон, будет изменяться в определённых пределах (от , то напряжение на стабилитроне будет практически иметь постоянное значение. Стабилитрон включают параллельно нагрузке, на которой нужно стабилизировать напряжение.

Варикап (конденсатор переменной ёмкости) – диод принцип действия которого основан на использовании барьерной ёмкости p-n перехода. Увеличение обратного напряжения приведёт к уменьшению ёмкости варикапа и наоборот.

4. Транзисторы.

Биполярные транзисторы (рис 8.5,а,б)

У биполярных транзисторов два вида носителей зарядов: электроны и дырки.

Биполярный транзистор имеет три области с электропроводностью типа p-n-p (рис. 8.7,а) или с электропроводностью типа n-p-n (рис. 8.7,б).

э – эмиттер; к – коллектор; б – база.

Эмиттерный p-n переход – переход между эмиттером и базой;

Коллекторный p-n переход – переход между коллектором и базой.

 

 

Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение, а к коллекторному - обратное, то в электродах, к которым присоединена внешняя цепь, потекут токи: эмиттера коллектора и базы .

В соответствии с первым законом Кирхгофа

 

Ток коллектора значительно больше тока базы, поэтому можно считать, что

 

При изменении напряжения между эмиттером и базой будут изменяться все токи. Таким образом, путём изменения напряжения между эмиттером и базой можно управлять током коллектора.

При обратном напряжении на эмиттерном переходе ток коллектора протекать не будет.

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов, логических и импульсных устройствах.

Полевые транзисторы (рис. 8.7,в, г, д).

У полевых транзисторов один вид носителя зарядов – электроны или дырки, поэтому их называют так же униполярными. Носители зарядов в полевых транзисторах проходят через часть полупроводника, называемую каналом, поэтому полевые транзисторы называют так же канальными

Электроды полевых транзисторов: исток И, сток С и затвор З.

Виды полевых транзисторов:

1. С управляющим p-n переходом (рис. 8.7,в);

2. С изолированным затвором:

а)с встроенным каналом (рис. 8.7,г);

б) с индуцированным каналом (рис. 8.7,д).

. Во внешней цепи протекает ток стока. Управлять током стока (изменять его значение) можно путём изменения напряжения на затворе.

При изменении напряжения на затворе транзистора с управляющим переходом изменяется поперечное сечении е канала, в результате чего количество носителей, проходящих через канал в единицу времени тоже изменяется. Изменяется и ток стока.

При изменении напряжения на затворе транзистора с изолированным затвором изменяется концентрация носителей в канале, что приводит к изменению тока стока.

 

К достоинствам полевых транзисторов относятся их высокая устойчивость к температурным и радиоактивным воздействиям и высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах.

Полевые транзисторы применяют в схемах усилителей, генераторов, переключателей, в цифровых и логических схемах.

5. Тиристоры.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор многослойной структуры, имеющий три и более p-n переходов. Иммет три электрода: анод (а), катод (к) и управляющий электрод (у).

Открытие тиристора происходит, если на его анод подан более высокий потенциал, чем на катод и подан импульса управляющего тока через управляющий электрод. Чем больше импульс тока, тем при меньшем напряжении откроется тиристор.

Тиристор закроется, если на анод будет подан отрицательный по отношению к катоду потенциал или если ток, протекающий через тиристор, уменьшится до некоторого значения, называемого током удержания.

Тиристоры применяют в управляемых выпрямителях, т.е. в тех выпрямителях, в которых можно управлять (изменять) выпрямленным напряжением.