IV. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ОПИС УСТАНОВКИ.

1. Усі речовини за їх електропровідними властивостями поділяються на три групи: провідники, ізолятори та напівпровідники. Тверді провідники — це метали та їх сплави. Вони мають питомий опір 10^-8 –10^-6 Ом·м. Ізоляторами (або діелектриками) є тіла різної будови і складу: мінерали, неорганічні аморфні тіла, синтетичні аморфні сполуки тощо з питомим опором 10⁹–10¹⁶ Ом·м. До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (гер­маній, кремній, селен, телур), різні окиси і сульфіди металів; їх питомий опір істотно залежить від ряду фізичних факторів: температури, електричного поля, освітлення, домішок інших речовин і лежить у межах 10^-5–10⁸ Ом·м. У зв'язку з тим, що напівпровідники погані провідники струму і погані ізолятори, тривалий час вони не мали практичного застосування. Лише в останні десятиріччя напівпровідники почали використовувати для випрямлення і підсилення електричного струму, перетворення енергії тепла і світла в електричну та для розв’язання ряду інших технічних завдань.

Характерною особливістю всіх напівпровідникових приладів є простота їх будови, відсутність кіл розжарення і рухомих частин, механічна міцність, довготривалий строк і надійність в експлуатації, високий коефіцієнт корисної дії.

Для розуміння роботи напівпровідникових приладів коротко розглянемо

два приклади.

2. Одним з типових напівпровідників є германій (Ge). На рис. 12.1 а показана схема кристалу германію. Германій є чотиривалентним, тобто має на зовнішній електронній оболонці чотири слабо зв'язані електрони (на рис. зв'язки між сусідніми електронами позначені пунктирними стрілками). Нехай тепер у кристал германію у вигляді домішки попав атом миш'яку (As). Валентність миш'яку рівна п'яти. При заміні атома германію атомом миш'яку із зовнішньої валентної оболонки останнього звільниться один електрон (рис. 12.1 б). Цей електрон стане вільним і зможе брати участь у створенні струму провідності. Атом миш'яку перетвориться в позитивний іон, причому в цілому кристал залишиться електронейтральним. Напівпровідники, електропровідність яких зумовлена надлишковими електронами, називаються напівпровідниками n-типу (від латинського слова negativus, що означає негативний). Атоми домішок, що їх валентність більша від валентності атомів кристалічної ґратки напівпровідника, мають назву донорів.

3. Є напівпровідникиз електропровідністю іншого типу. Прикладом такого напівпровідника може бути той самий кристал германію, але з домішкою індію (In) (рис. 12.1 в). Атом індію тривалентний. Внаслідок структури кристалічної ґратки германію, зумовленої чотирма валентними електронами, атом індію захоплює ще один (четвертий) електрон у сусіднього атома германію. В останньому появляється вакантне місце електрона — дірка, і він, в свою чергу, захоплює електрон в іншого атома германію і т. д. Таке послідовне переміщення електронів еквівалентне рухові у протилежний бік позитивного заряду (дірки), рівного за величиною зарядові електрона. Напівпровідники,електропровідність яких викликана наявністю дірок (діркова провідність), називають напівпровідниками р-типу (від латинського слова positivus. що означає позитивний). Атоми домішок, валентність яких менша від валентності атомів кристалу напівпровідника, називаються акцепторними.

Зустрічаються і такі напівпровідники, що мають одночасно п- і р-провідність.

4. Контакт двох напівпровідників з різними типами провідності називається p-n-переходом і має дуже важливу особливість: його опір залежить від напрямку струму. Розглянемо процеси, що відбуваються поблизу контактного переходу. Рух зарядів через п-р-перехід при відсутності зовнішнього поля має характер дифузії. В результаті дифузії дірок з діркової частини кристала в електронну, а електронів з електронної частини в діркову на межі електронно-діркового переходу утворюється шар із зниженою концентрацією, дірок і електронів провідності і, отже, з підвищеним опором (рис. 12.2). Ця ділянка підвищеного опору називається запірним шаром, його товщина рівна приблизно 10^-6 см.

Коли прикласти напругу до п-р-переходу так, як це показано на рис. 12.3 (плюс на дірковій і мінус на електронній частинах кристала), то електрони і дірки під дією поля рухатимуться в напрямі до п-р межі, назустріч одні одним. Концентрація заряджених частинок у запірному шарі підви­щуватиметься (прохідний напрям), а його опір зменшуватиметься.

При зміні напряму прикладеного поля на зворотний (рис. 12.4) під дією поля електрони і дірки віддалятимуться від п-р межі, концентрація зарядів у запірному шарі зменшиться (запірний напрям), а опір його зросте. Отже, п-р перехід має неоднаковий опір при різних напрямах поля і, значить, є випрямлячем.

5. Основна властивість випрямляючого елемента визначається його вольт-амперною характеристикою (тобто, залежністю між прикладеною до елемента напругою і силою струму, що протікає через нього).

Вольт-амперна характеристика не має точного аналітичного виразу, але може бути більш-менш точно представлена у вигляді степеневої функції. Із нелінійного характеру залежності І=f(U) випливає нелінійний характер залежності R=f(U). Вольт-амперна характеристика дає уяву про електричні властивості випрямляча у всьому діапазоні напруг. У практиці здебільшого немає необхідності одержувати всю характе­ристику, а досить знати дві (іноді три) її точки, так звані електричні параметри випрямляючих елементів, якими і користуються для контролю якості випрямлячів у процесі виробництва, а також при їх розрахунку. На рис. 12.5 представлено вольт-амперну характеристику ідеального (1) і реального (2) випрямлячів.

Коефіцієнтом випрямлення напівпровідникового діода називають відношення прямого струму до зворотного при фіксованому значенні напруги на діоді:

(12.1)

6. В останні роки завдяки успішній науково-дослідній роботі створені германієві і кремнієві діоди з високим коефіцієнтом корисної дії. Вони поділяються на два типи: площинні і точкові. Схематична будова одного з таких типів площинних випрямлячів (германієвого) подана на рис. х.5. Виготовлений він з монокристалу германію 1 з n-провідністю; в одну з поверхонь кристалу введена домішка (індій) 2, що створює провідність р-типу. У результаті в кристалі виникають дві різко розмежовані області з різним типом провідності. До обох цих областей припаяні струмо-відвідні електроди 3. Весь прилад знаходиться в спеціальній герметичній оправі.

Площинні випрямлячі мають малі габарити, відзначаються механічною міцністю і зручністю їх експлуатації, працюють нормально в широкому інтервалі температур. Термін служби цих діодів близько 10 000 годин, коефіцієнт корисної дії 95—98%, їх застосовують переважно для випрямлення змінного струму промислової частоти, а також у радіопристроях, де частота не перевищує 50 кГц.

Точкові діоди порівняно з площинними менш потужні, але зате мають малу ємність і можуть застосовуватися для роботи на високих частотах. У точковому діоді випрямлення здійснюється в запірному шарі, утвореному в місці контакту кристалу напівпровідника з гострим вістрям металевої пружини. Застосовуються точкові діоди в основному для детектування, тобто для виділення напруги низької частоти з модульованих високочастотних коливань.

7. Детальне дослідження фізичних процесів, що відбуваються у місці точкового контакту вольфрамової дротини з германієм, показало, що можна впливати на провідність германію в запірному напрямі в ділянках, віддалених від місця точкового контакту. Це дало можливість ввести у схему напівпровідникового випрямляча третій електрод, тобто створити напівпровідниковий кристалічний тріод, або транзистор.

Транзистор – це пристрій, що складається з двох p-n-переходів, який використовується для керування електричним струмом. Змінюючи величину напруги, прикладеної до його електродів, можна управляти величиною струму через транзистор, використовуючи його для підсилення, генерації або перемикання. Біполярний транзистор складається із трьох областей, в яких тип провідності чергується. Ці три області можуть бути розміщені двома способами.

У першому випадку матеріал p-типу міститься між двома шарами матеріалу n-типу, утворюючи n-p-n транзистор (рис.12.7 а). У другому випадку шар матеріалу n-типу знаходиться між двома шарами матеріалу p-типу (p-n-p транзистор, рис.х.6 б). В обох типах транзисторів середня область називається базою, а зовнішні області – емітером і колектором.

Для того, щоб області емітера, колектора і бази взаємодіяли потрібним чином, до транзистора повинна бути правильно підведена напруга: на емітерний перехід напруга подається в прямому напрямі, а на колекторний – у зворотному (див.рис.12.8). База служить керуючим електродом.

Статичні характеристики напівпровідникового тріода – це графіки, що показують залежність між струмами і напругами. Їх можна розділити на дві групи: вихідні і вхідні. Вихідні характеристики, в свою чергу, можуть бути двох видів: перший виражає залежність колекторного струму І_к від колекторної напруги U_к, а другий — залежність струму бази І_б від колекторної напруги U_к. Кожній характеристиці

I_к=f(U_к),

I_б=f(U_к)

відповідає стала напруга на базі. Два види вхідних характеристик виражають залежності I_к=f(U_б), I_б=f(U_б) при сталій напрузі на колекторі.

Користуючись статичними характеристиками напівпровідникового транзистора, можна знайти наступні його параметри в будь-якій точці:

§ Крутизну характеристики:

(12.2),

§ Внутрішній диференціальний опір

(12.3).