Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы - диода (см.§ 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-n -переход, называется полупроводниковым (кристаллическим ) диодом . Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные .
Рис. 339 Рис. 340
В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n -германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия А1 в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий р -проводимостью. На границе этого слоя образуется р-n -переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.
Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu 2 О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,- дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu 2 О к Сu ().
Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис.325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). р-n- Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).
Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные . Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 - 80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.
Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р , т. е. триода на основе n -полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов - металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором - постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление , а усиленное - снимается с выходного сопротивления
Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» - инжекцией - в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.
Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении - переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n -переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б к. Обычно >> , поэтому значительно превышает входное напряжение (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.
Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.
Принцип работы транзистора п-р-п -типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода и поэтому потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме и т. д.), транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.
Контрольные вопросы
- В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
- Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?
- Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?
- Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
- Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
- Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?
- Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.
- Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
- Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?
- Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?
- Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?
- В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
- В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
- Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n -типа? с полупроводником р -типа? Объясните механизм его образования.
- Как объяснить одностороннюю проводимость р-п -перехода?
- Какова вольт-амперная характеристика p-n -перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
- Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
- Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?
Задачи
31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17°С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]
31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.
31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.
Привет всем читателям "Радиосхем ", меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды - не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.
Вы знаете как работает простой проводник - ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор - это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки - это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.
Теперь разберёмся - как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.
Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.
Полупроводниковые диоды
Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p - это positive (позитив, положительный), n - negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да - мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p - положительный является анодом, n - отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска - она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.
Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток - это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.
Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.
Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия - сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону - это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.
Биополярные и полевые транзисторы
Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а полевые пока не будем трогать - отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура - это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод - эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод - коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть "n", дальше эмиттер - принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.
Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать - транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.
Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n.
На этом статья закончена, если что-то не понятно - обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын .
Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ
Основным элементом большинства полупроводниковых элементов является p-n переход.
р-n переходом называется область на границе полупроводников р и n типов.
Условно р-n переход можно показать следующим образом:
Опыт 14.3. Полупроводниковый диод.
Цель работы:
Изучить принцип работы полупроводникового диода.
Оборудование:
1. Источник регулируемого переменного напряжения
2. Осциллограф
3. Стенд со схемой
Ход работы.
1. Установка состоит из источника регулируемого переменного напряжения, осциллографа и стенда со схемой. Переменное напряжение от источника подается на вход стенда. На экране осциллографа наблюдается синусоида. Если увеличивать или уменьшать подаваемое напряжение, то соответственно увеличивается или уменьшается амплитуда синусоидального сигнала, видимого на экране осциллографа.
2. Изучим характер тока, протекающего через диод. Напряжение, попадающее на стенд, подается на края цепочки, состоящей из последовательно соединенных сопротивления и диода. В результате через цепочку идет уже не переменный ток, а пульсирующий, поскольку диод выпрямляет ток. Он пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. На схеме диод изображается таким образом, что острие треугольника, на данном этапе оно направлено вверх, указывает направление тока проходящего через диод. Для того чтобы выяснить каков характер тока, проходящего через диод, на вертикальный усилитель подается напряжение, которое снимается с концов сопротивления. Это напряжение пропорционально току, текущему через сопротивление. Наблюдают, что ток через диод действительно течет только в одном направлении. Полпериода ток отсутствует - горизонтальные участки, полпериода ток идет. Это половинки синусоид, которые смотрят вниз. Но если менять величину напряжения, подаваемую на вход стенда, будет меняется и величина тока, текущего через диод. Если повернуть диод на 180 градусов, острие треугольника на схеме будет направлено вниз, т.е. изменится направление тока, протекающего через диод. Сигнал на экране осциллографа пропал. Диод извлекают из стенда, и вновь появился сигнал на экране осциллографа. Однако теперь уже те полпериода, которые соответствуют протеканию тока через диод, отображаются половинками синусоиды, направленными вверх.
3. Вольт-амперная характеристика диода - зависимость между током, протекающим через диод и напряжением, которое подается на диод. Ток, протекающий через диод, по-прежнему пропорционален напряжению на концах сопротивлений. Это напряжение подается на вертикальный вход осциллографа, а на горизонтальный- напряжение с концов этой цепочки, оно пропорционально напряжению на диоде. В результате на экране осциллографа наблюдается вольт-амперная характеристика диода. Полпериода тока нет, это горизонтальный участок этой характеристики, и полпериода ток идет. Здесь в определенной степени выполняется закон Ома. Величина тока, текущего через диод, пропорциональна напряжению, подаваемому на диод. Если увеличивать или уменьшать напряжение, которое подается на диод, соответственно увеличивается или уменьшается ток, текущий через диод.
Вывод:
Односторонняя проводимость p-n перехода позволяет создать выпрямляющую полупроводниковое устройство, так называемый полупроводниковый диод.
1. Знак проводимости соответствует знаку источника, тогда дырки переместятся влево, электроны вправо. Через р-n переход пойдет электрический ток, состоящий из электронов и дырок.
2. Знак проводимости противоположен знаку источника, тогда носители заряда движутся к полюсам, не переходя границу контакта полупроводников, ток через р-n переход не возникает, следовательно, р-n переход обладает односторонней проводимостью.
р-n переход используется в полупроводниковых диодах.
Транзистор – полупроводниковый прибор, который состоит из двух р-n переходов, включенных встречно. Эмиттер – область транзистора, откуда берутся носители заряда. Коллектор – область, куда стекаются носители заряда. База выполняет роль, аналогичную роли управляющей сетки в лампе.
Транзисторы служат для усиления электрических сигналов, потому что небольшое изменение напряжения между эмиттером и базой приводит к значительному изменению напряжения на нагрузке, включенной в цепи коллектора.
Опыт 14.4 Усилитель постоянного тока на транзисторе
Оборудование:
1. Транзистор на подставке;
2. Фотодиод на подставке;
3. Источник тока В-24;
4. Соединительные провода;
5. Электрическая лампочка;
6. Два демонстрационных гальванометра;
Схема установки:
При затемнении фотоэлемента ток небольшой. Если же осветить фотоэлемент, то ток возрастает на участке G2.
Тесты к лекции №14
Тест 14.1. Какие выводы можно сделать по результатам опыта демонстрации зависимости сопротивления полупроводника от температуры?
£ с увеличением температуры полупроводника увеличивается его сопротивление
£ сопротивление полупроводника не зависит от его температуры
£ с увеличением температуры полупроводника уменьшается его сопротивление
£ сопротивление полупроводника несущественно зависит от его температуры
Тест 14.2. Как называется материал, электрические свойства которого в сильной степени зависят от концентрации в нём химических примесей и внешних условий?
£ сверхпроводник.
£ магнитоэлектрик.
£ сегнетоэлектрик.
£ полупроводник.
Тест 14.3. Как называется квазичастица, заряд которой по модулю равен заряду электрона, а масса равна массе электрона?
£ нейтрон
£ «дырка»
£ α-частица
£ позитрон
Тест 14.4. Как называется полупроводниковый прибор, который состоит из двух р-n переходов, включенных встречно?
£транзистор
£ коллектор
£ гальванометр
£ тиристор
Тест 14.5. Как называется область транзистора, откуда берутся
носители заряда?
£коллектор
£эмиттер
£фотоэлемент
£стабилитрон
Тесты к главе №3.
Тест 1.Что понимают под сторонними силами?
£ Силы не электростатического происхождения.
£ Силы, обусловленные только химическими процессами.
£ Только механические силы (силы, прикладываемые для вращения ротора генератора).
£ Силы электрического происхождения.
Тест 2.Физическая величина, характеризующаяся зарядом, прошедшим через площадку проводника единичной площади за единицу времени, это…
£ сила тока.
£ плотность тока.
£ напряжение.
£ удельное электрическое сопротивление.
Тест 3.При последовательном подключении к сети постоянного тока двух проводников сила тока в сети в 6,25 раза меньше, чем при параллельном соединении этих же проводников. Во сколько раз отличаются сопротивления проводников?
Тест 4.От чего зависит вектор поляризации в диэлектрике?
£состава диэлектрика
£размера диэлектрика
£электрической индукции
£напряжённости поля в диэлектрике
£наличия свободных зарядов в диэлектрике
Тест 5.Выберете правильные выводы, следующие из опыта по демонстрации зависимости сопротивления проводника от температуры?
£сопротивление проводника не зависит от температуры
£с увеличением температуры проводника увеличивается его сопротивление
£с уменьшением температуры проводника увеличивается его сопротивление
£с увеличением температуры проводника уменьшается его сопротивление
£с уменьшением температуры проводника уменьшается его сопротивление
Тест 6.В каком году Камерлинг - Онессом было открыто явление сверхпроводимости?
Тест 7.Если в разветвленной цепи имеется N-узлов то, для какого числа узлов можно составить независимые уравнения 
.
Тест 8.
При параллельном соединении проводников одинаковым для них является:
Тест 9.
Выделите формулы для последовательного соединения проводников:
£ 
£ 
£ 
£ 
£ 
Тест 10.Формулировка «явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током» - это определение…
£термоэлектричества
£термо-ЭДС
£эффекта Фарадея
£эффекта Холла
Тест 11.От чего зависит величина термо-ЭДС термопары?
£от разности температур спаев+
£от удельных термо-ЭДС обоих проводников
£от разности напряжений
£от разности потенциалов
Тест 12.Формулировка «Разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия»- это определение…
£контактной разности напряжений.
£контактной разности сопротивлений.
£контактной разности ионов.
£контактной разности потенциалов.
£контактной разности токов
Тест 13. Растворы солей, щелочей, кислот являются…
£ электролитами
£ полуэлектролитами
£ диэлектриками
£ квазиэлектролитами
£ полупроводниками
Тест 14.Какие из нижеперечисленных металлов являются благородными?
Тест 15.Первый закон Фарадея для электролиза гласит:
£электрохимический эквивалент вещества, прямо пропорционален его химическому эквиваленту.
£ масса вещества, выделившегося на электродах, прямо пропорциональна квадрату заряда, протекшему через электролит
£масса вещества, выделившегося на электродах, прямо пропорциональна заряду, протекшему через электролит.+
£ масса вещества, выделившегося на электродах, прямо пропорциональна корню квадратному из величины заряда, протекшему через электролит
£масса вещества, выделившегося на электродах, обратно пропорциональна заряду, протекшему через электролит
Тест 16.Какие физические факторы оказывают ионизирующее воздействие на газ?
£ нагревание
£ электрическое поле
£ увеличение объема газа.
£ воздействие излучения.
£ понижение атмосферного давления.
Тест 17.Если рассмотреть газоразрядную трубку во время протекания разряда, то можно заметить, что разряд не однороден. Выделяют следующие области:
£ Астоново темное пространство; катодную пленку; тлеющее свечение; отрицательный столб.
£ Астоново темное пространство; анодную пленку; катодное темное пространство; тлеющее свечение; Фарадеево темное пространство; отрицательный столб.
£ Астоново темное пространство; катодную пленку; катодное темное пространство; тлеющее свечение; Фарадеево темное пространство; положительный столб.
£ Астоново темное пространство; катодную пленку; тлеющее свечение; отрицательный столб; положительный столб
£ катодную пленку; катодное темное пространство; тлеющее свечение; Фарадеево темное пространство; положительный столб
Тест 18.Какой разряд применяется в основном для целей освещения и рекламы?
£ коронный.
£ дуговой.
£ тлеющий.
£искровой
£мерцающий
Тест 19.Какие существуют виды плазмы по методу получения?
£ газоразрядные
£ высоковольтные
£ высокотемпературные
£ магнитно-электронные
Тест 20.Какие виды магнитных ловушек существуют?
£ бетатрон
£ стеллаток
£ стеллатор
£ токамак
£ плазмотрон
Тест 21.Какое свойство является основным для плазмы?
£ хорошая электропроводность
£ поляризуемость
£ ионизируемость
£ квазинейтральность
£ время жизни
Тест 22.Как называется зона контакта полупроводников с различными типами проводимости?
£запрещенная зона
£зона проводимости
£p-n переход
£валентная зона
Тест 23.Как называется область транзистора, куда поступают носители заряда?
£эмиттер
£коллектор
£фотоэлемент
£микрочип
Тест 24.В чем состоит особенность полупроводников?
£жесткий дипольный момент молекул вещества
£высокая рабочая температура
£наличие свободных носителей отрицательных зарядов
£имеется два рода носителей электрического заряда+
£наличие свободных носителей положительных зарядов
Магнитное поле в вакууме и веществе
15. Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Виток с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов.
16. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Магнитный поток. Сила Ампера. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Сила Лоренца. Определение удельного заряда электрона.
17. Магнетики. Намагниченность. Связь индукции и напряженности магнитного поля в магнетике. Магнитная проницаемость и восприимчивость. Магнитомеханические явления.
18. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура ферромагнетиков. Магнитный гистерезис. Работы Столетова. Точка Кюри. Магнитные материалы и их применение.
Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Виток с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов
15.1. Взаимодействие токов
15.2. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля
15.3. Виток с током в магнитном поле
15.4. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов
Изучение природы магнитных явлений началось с рассмотрения естественного магнетизма. Это взаимодействие естественных магнитов происходило и с некоторыми веществами, которые относятся к классу ферромагнетиков. В дальнейшем мы увидим, что взаимодействие остается таким же, если один из естественных магнитов заменен на проводник с током (опыт Эрстеда), и, наконец, можно наблюдать это явление, если взаимодействуют два проводника с током (опыт Ампера).
Опыт 15.1 Опыт Эрстеда.
Оборудование:
Рис. 15.1.
|
1. Магнитная стрелка;
2. Источник тока В-24;
3. Проводник;
Схема установки:
Стрелка первоначально параллельна проводнику. При включении источника тока стрелка устанавливается перпендикулярно проводнику. При отключении источника тока стрелка возвращается в исходное положение.
Вывод: вокруг проводника с током существует магнитное поле, т.е. там, где есть движущиеся электрические заряды, существует магнитное поле.
Опыт 15.2 Взаимодействие двух проводников с током.
Оборудование:
1. Две ленты гибкие из фольги;
2. Источник тока В-24;
3. Проводник;
Схема установки:
Токи направлены противоположно – проводники при этом отталкиваются.
Токи сонаправлены – при этом проводники притягиваются.
Вывод: при взаимодействии двух проводников с током возникают силы, которые отталкивают или притягивают проводники.
Изучение магнитных явлений показало, что магнитное взаимодействие наблюдается тогда, когда имеет место перемещение электрических зарядов по отношению к наблюдателю (или регистрирующему прибору). Поскольку все явления, связанные с относительным движением объектов, называются релятивистскими (от английского слова “relative” – относительный), то говорят, что магнетизм – это релятивистский эффект.
Подготовлено
Учеником 10 «А» класса
Школы № 610
Ивчиным Алексеем
Реферат на тему:
«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»
1. Полупроводники: теория и свойства
2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3. Типы полупроводниковых приборов
4. Производство
5. Область применения
1.Полупроводники: теория и свойства
Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.
Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней
оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные
с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно
четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью
паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании
этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко-
торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при
своем движении большую часть времени проводят в пространстве между
соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними,
и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.
Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и
наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных
электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.
Дырочная проводимость.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один
из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об-
разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь.
а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким
образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них
при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает
дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию
примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того
или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с
преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи-
тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры-
вает широкие возможности для практического применения.
Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во
много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.
Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис-
талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на-
зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля
дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По-
лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон-
ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).
2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.
В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.
Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорной примеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомных растояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхности германия преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образца германии, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоеденение диода.
Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.
Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.
Транзистор.
Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении
левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n -перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря-
жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе-
рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R 
мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.
3. Типы полупроводниковых приборов.
Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий вид на рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.
4. Призводство
Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.
5. Область применения
Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.
Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.
Полупроводниковым диодом называется не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анодаи катода.
Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные ) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).
Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью (пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).
Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI ПР.
При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).
При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температуры окружающей среды (увеличивается с повышением температуры).
Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.
Характеристики диода:
Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:
Максимальный прямой ток I ПР ;
Температурная стойкость t 0 max ;
Максимальное обратное напряжение U KP .
Сопротивление постоянному току R 0 = U ПР / I ПР ;
Сопротивление переменному току R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;
Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;
Мощность потерь на аноде P A = U ПР I ПР ;
Область использования диодов : выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.
Транзисторы
Транзисторы – полупроводниковые приборы с двумяр-п переходами, позволяющиеусилить электрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные (полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором . От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-п переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n) транзисторы, разница между которыми состоит вполярности подключения источников питания.
Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер – излучатель зарядов,база – основание иколлектор – собиратель зарядов. Слои обладают
различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p , а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).
Эмиттер База Коллектор
I э I к
Вход Выход
Рис. 2. Биполярный p - n - p транзистор, включенный по схеме с общей базой
Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p - n иn - p . Первый переход (p - n ) включен впрямом направлении, т.е. минус кn -области, а плюс кр – области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n - p ) включен вобратном направлении, т.е. плюс к базе (n - область), а минус кр – области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратным U K включением, будет практически закрыт.
Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p - n переход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе , дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испытывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU K , переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса батареи питания. В результате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI K , несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное - это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:
Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллекторным током, причем при этом имеет место эффект усиления.
Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощности подводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR н при соответствующем подборе напряжения батареиU к может быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R H >> R ВХ , а входной (эмиттерныйI Э ) и выходной (коллекторныйI К ) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU ВХ = I ВХ * R ВХ ; P вх = I 2 вх * R вх меньше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузкеU = I К * R Н ; P н = I K 2 * R Н . Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI Э ~ = I К ).
Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора - схема с общим эмиттером, при которой, кроме усиления мощности, имеет место такжеусиление тока. Схема включенияс общим коллектором используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению - около единицы.
Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в следующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k определяется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.
Характеристики транзисторов:
Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,
Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная
Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности
k=ΔΧ ВЫХ /ΔΧ ВХ;ΔU ВЫХ /ΔU ВХ;ΔI ВЫХ /ΔI ВХ;ΔP ВЫХ /ΔP ВХ.
Входное сопротивление транзистора переменному току
R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.
Мощность потерь на коллекторе
P K = U K * I K .
Достоинства транзисторов: малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки : существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).
Область использования транзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.