Діоди і транзистори

3

РЕФЕРАТ

ДІОДИ ТА ТРАНЗИСТОРИ

Зміст

1. Будова, принцип роботи, характеристика та застосування діодів

2. Будова, принцип роботи, характеристика та застосування транзисторів

3. Використані джерела

1. Будова, принцип роботи, характеристика та застосування діодів

Щоб з'ясувати природу електричного струму в напівпровіднику, необхідно пригадати будову речовини. Насамперед згадаємо, що являє собою атом хімічного елемента. Згідно сучасних наукових уявлень, атом будь якої речовини складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого, на певних орбітах, обертаються негативно заряджені електрони. Модель такого атома зображено на рис. 1.

Рис. 1. Модель атома речовини

З рисунка видно, що електрони обертаються кожен на певній орбіті, причому ці орбіти можуть проходити у вигляді декількох шарів. Тепер згадаємо, яким чином атоми в речовині з'єднуються та утворюють молекулу.

Найпростішу модель молекули зображено на рис. 2. У цій молекулі сполучені два однакові атоми, причому навколо ядра кожного атома обертаються “свої” електрони, а два електрони обертаються навколо обох ядер водночас. Вони є начебто спільними для обох атомів і об'єднують їх в молекулу.

Рис. 2. Модель молекули речовини

Розглянемо тепер будову молекули кристалічної речовини. На рис. 3 показано фрагмент кристалічної решітки одного з найпоширеніших напівпровідників - германію. На зовнішній орбіті кожного атома цього напівпровідника обертаються по чотири електрони, котрі можуть зв'язуватися з іншими атомами. Ці зв'язки показано на рис. 3 еліпсами (на кожному з них знаходиться по два електрони).

Рис 3. Кристалічна решітка германію

Чи може протікати електричний струм в такій речовині? Виявляється, все залежить від того, як стійко тримаються електрони на орбіті. Якщо орбіти електронів у речовині дуже стійкі і електрони не полишають їх за жодних умов (при підвищенні температури, прикладенні до куска матеріалу різниці потенціалів), то ця речовина є типовим ізолятором. Характерною ж властивістю напівпровідників є те, що електрони, в цих матеріалах, можуть залишати свої орбіти внаслідок дії світла, тепла, електричного поля тощо. Схематично, уявимо собі кристал напівпровідника так, як це зображено на рис. 4. Припустимо, що один з електронів покинув свою орбіту і полетів у міжатомний простір матеріалу. Якби до напівпровідника прикласти різницю потенціалів, то електрон полетів би у напрямку позитивного електрода (природа походження такого електричного струму притаманна звичайному провіднику).

Рис. 4. Схематичне зображення кристалу напівпровідника

Сконцентруймо тепер свою увагу на тому місці, звідки вилетів електрон. До цих пір позитивні заряди ядер атомів були скомпенсовані негативними зарядами електронів. Але тепер одного електрона немає. Виник некомпенсований позитивний заряд ядра атома, утворилась начебто «дірка» на місці того електрона, що вилетів, і ця дірка заряджена позитивно. А це означає, що “пусте” місце може зайняти один із сусідніх електронів, як це показано на рис. 5. Утвориться дірка в іншому місці, її, в свою чергу, заповнить інший, сусідній електрон і т.д.

Рис. 5. Рух електронів у напівпровіднику

Таким чином позитивно заряджена дірка починає рухатись в напівпровіднику, незважаючи на те, що усі ядра атомів кристалічної решітки надійно перебувають на своїх місцях. Якщо тепер до напівпровідника прикласти напругу (рис.5), то електрони, що заповнюють дірку, рухатимуться справа наліво. Дірка почне рухатися зліва направо, тобто до негативного полюса джерела живлення.

Отже, електричний струм у напівпровіднику зумовлений не лише спрямованим рухом електронів, але й спрямованим рухом дірок. У цьому й полягає основна відмінність напівпровідника від провідника.

Що ж відбудеться, коли дірку заповнить не сусідній, а інший блукаючий електрон? В такому випадку дірка заповниться, а електрон перестане існувати у вигляді вільного носія заряду. Пройде так звана рекомбінація електрона і дірки.

Описане явище провідності в напівпровідниках має місце лише в чистих матеріалах. Що ж зміниться, коли в чистий напівпровідник потрапить атом, який має на орбіті не чотири електрони, а п'ять? Ясна річ, чотири електрони одразу ж займуть місце на спільних з сусідніми атомами орбітах. А п'ятий електрон виявиться зайвим, і він вирушить в міжатомний простір речовини, оскільки його ніщо на тримає біля свого атома. Незважаючи на те, що атом домішки буде, у цьому випадку, позитивно зарядженим, однак дірки тут немає (рис.6).

Рис. 6. Схема утворення електронної провідності в кристалі напівпровідника

Таким чином, коли в чистий кристал кремнію чи германію ввести домішку, атом якої має на зовнішній орбіті п'ять електронів, то такий напівпровідниковий матеріал буде здатний проводити струм лише за рахунок електронів. Напівпровідник з електронною провідністю називають п- провідником від латинського “negative”, тобто негативний. Домішкою для утворення в напівпровіднику n- області може бути, миш'як, сурма, фосфор тощо. Ці домішки називають донорами, оскільки вони, віддають один електрон із зовнішньої орбіти своїх атомів.

Уявимо собі іншу картину: в чистий напівпровідник введено домішку атом якої, на зовнішній орбіті, має три електрони (рис.7). Оскільки в даному випадку, щоб заповнити усі зв'язки в кристалі, не вистачає одного електрона, то порожнє місце може заповнити один із сусідніх електронів. Такий провідник матиме діркову провідність (р- провідник, від лат. “positive”, тобто позитивний).

Рис. 7. Схема утворення діркової провідності в кристалі напівпровідника

Домішкою для утворення в напівпровіднику p-області може бути алюміній, індій, бор та ін. Усі вони є акцепторами, оскільки їх атоми забирають електрон у сусідніх атомів.

Розглянемо процеси, які протікають у напівпровіднику, який має обидва типи провідності р та n (рис.8). Майте на увазі, що це не два куски різнотипних за провідністю напівпровідників, а один, у якому є області з різною провідністю, у яких чітко окреслена межа між р- та n-областями.

Рис. 8. Утворення запірного шару на межі p-n- переходу напівпровідника

Електрони та дірки можуть вільно переходити через межу поділу провідності. Оскільки в лівій частині напівпровідника є велика кількість дірок, то вони вирушать у праву, а електрони - навпаки, у ліву. Потрапивши до лівої частини з р-провідністю, електрони почнуть рекомбінувати з дірками.

Аналогічно дірки, попавши у праву частину напівпровідника рекомбінують з електронами, які є там, а ядра атомів-донорів, лишившись некомпенсованими, набувають позитивного заряду. Таким чином на межі р- і n- областей утворюються електричні заряди атомів домішок, які починають перешкоджати подальшому проникненню електронів і дірок з однієї частини напівпровідника в іншу.

Ці заряди показано на рис. 8 великими кружечками.

Таким чином між р- і n- областями утворюється непровідна ділянка певної товщини. Приєднаємо тепер до лівої і правої частини напівпровідника джерело живлення, як це показано на рис. 9.

Якщо спів ставити рис. 8 та рис. 9, то можна побачити, що при такому вмиканні електричне поле атомів домішок на межі між р- і п- областями в напівпровіднику співпадає з полем, зовнішнього джерела. При накладанні полів у суміжному шарі створюються умови, що цілком виключають перехід зарядів з однієї частини напівпровідника в іншу, і електричний струм не протікатиме.

Рис. 9. Вмикання p-n переходу Рис. 10. Вмикання p-n переходу у зворотному напрямку в прямому напрямку

Безперечно, описана картина цілковитого припинення протікання струму через напівпровідник можлива лише за умови ідеальної чистоти як самого напівпровідника, так і донорних та акцепторних домішок. Реально, в напівпровіднику завжди наявні інші домішки, хоч і в незначній кількості. Саме тому через р-п перехід усе-таки протікає незначний електричний струм. Графік зворотного струму напівпровідникового діода зображено на рис. 9. Тут добре видно, що при збільшенні зворотної напруги до певної величини (точка а), суттєвого збільшення сили струму не спостерігається. Поза цією точкою струм починає різко зростати, внаслідок чого може настати електричний пробій напівпровідника.

Тепер прикладемо напругу до напівпровідника таким чином, щоб р- область була з'єднана з позитивним полюсом джерела живлення, а п- область - з негативним. Якщо напруга джерела живлення є невеликою (0,1--0,15В), то помітного збільшення сили струму в напівпровіднику не спостерігатимемо. Справа в тому, що хоч електричне поле, створюване джерелом живлення на р-п переході, і протилежне наявному полю (маємо на увазі поле створене зарядом атомів домішок), але воно менше за величиною. Якщо ж надалі збільшувати напругу джерела живлення, то електричне поле, створюване ним, перевищить на р-п переході зворотну дію поля атомів донора і акцептора (точка “б” на рис. 10), і в колі появиться електричний струм.

Таким чином, напівпровідник з р-п переходом проводить струм практично лише в одному напрямку.

2. Будова, принцип роботи, характеристика та застосування транзисторів

Транзистор - це напівпровідниковий прилад призначений для підсилення, генерування електричних сигналів, комутації електричних кіл.

Щоб краще зрозуміти принцип роботи цього приладу уявімо собі напівпровідник у якого є два p-n переходи (рис. 11). Якщо відстань між цими p-n переходами є великою, тобто коли при подоланні цієї відстані електрони і дірки встигають рекомбінувати, то в такому випадку матимемо справу з зустрічним з'єднанням двох напівпровідникових діодів.

Рис. 11. Напівпровідник з двома р-п переходами

Для того щоб більшість дірок під час руху від одного переходу до іншого не встигли рекомбінувати, необхідно відстань між межами переходів зробити якомога меншою

Увімкнемо такий напівпровідник, відстань між p-n переходами якого є мінімальною, у схему, зображену на рис. 2. Як видно з схеми, перший (лівий) р-п перехід увімкнуто в прямому напрямку, а другий (правий) - у зворотному. Почнемо тепер поступово збільшувати напругу джерела живлення G1, задавши напругу джерела G2 як деяку сталу величину. У початковий момент, коли напруга джерела G1 є дуже малою (менше 0,1В), струм через перший перехід не протікатиме, оскільки електричне поле цього джерела менше електричного поля атомів донорів і акцепторів першого (лівого за схемою) р-п переходу. Струм через другий р-п перехід також не протікатиме, оскільки цей перехід увімкнуто в зворотному (непровідному) напрямку.

Рис. 12. Вмикання кристала напівпровідника з двома переходами в електричне коло

Коли напругу джерела G1 збільшувати, то при величині напруги на р-п переході в 0,15-0,25В почне протікати електричний струм. Природа цього струму, в основному, є дірковою, оскільки концентрація дірок у матеріалі Р₁ напівпровідника набагато вища концентрації електронів у середній n-області (рис. 12). З початком протікання струму через р-п перехід напівпровідника виникає дуже цікаве явище.

Ми вже зазначали, що область бази транзистора має малу товщину і носії струму, потрапивши сюди, попадають під вплив відносно високої напруги колектора. Завдяки цьому вони набирають великих швидкостей, що дозволяє їм долати опір ввімкненого у зворотному напрямі колекторного переходу.

Отже, дірки притягує електричне поле правої частини напівпровідника Р₂ (адже ця частина приєднана до негативного виводу джерела живлення G2).

Подальше збільшення напруги джерела G2 призводить до зростання діркового струму через перший, а, отже й через другий р-п переходи. Таким чином у колі джерела живлення G2 виникає струм, величину якого можна регулювати джерелом G1. Область Р₁ напівпровідника називають емітером (ця область емітує, тобто випускає, віддає дірки), область n- напівпровідника - базою, а область Р₂ - колектором (ця область начебто збирає, колекціонує дірки). Якби на базі напівпровідника взагалі не проходила рекомбінація дірок, то струм у другому, колекторному, переході був би рівний струмові емітерного переходу. Але ж оскільки частина дірок все таки рекомбінує, то можна вважати, що колекторний струм пропорційний струму емітера:

У цій формулі б - коефіцієнт пропорційності, який вказує на ту частку дірок, що пройшли через емітерний перехід і досягли колектора. Чим більший коефіцієнт б, тим кращі властивості цього напівпровідника, який і називається транзистором. Напрям струмів через транзистор даного, типу (структура р-п-р) показано на рис.3. Оскільки струм емітера напівпровідника розгалужується на два - струм бази І_б та струм колектора І_к, то, очевидно, що сума двох останніх повинна дорівнювати струму емітера:

Рис. 13. Структурна схема напівпровідникового транзистора

підставивши, з першої формули, значення І_к, матимемо:

Звідси:

або ж

Величина струму емітера, а значить і струму колектора, перебувають у безпосередній залежності від величини струму бази. Зазначимо, що величина коефіцієнту б завжди більша 0,9, а в деяких транзисторах ця величина сягає 0,998. Це значить, що з тисячі дірок, що пройшли в область бази через емітерний перехід, 998 попадає в область колектора, і лише дві встигають рекомбінувати.

Таким чином, змінюючи величину базового струму, можна змінювати й величину струму емітера, а головно й величину струму колектора. При цьому чим більше значення коефіцієнту б , тим ефективніше це регулювання. Так, наприклад, при величині коефіцієнту б рівному 0,95, щоб створити силу струму емітера в 10 мА, величина струму бази повинна становити 0,5 мА, тобто бути в 20 разів меншою:

У цьому випадку колекторний струм рівний 9,5 мА:

Якщо ж узяти транзистор у якого коефіцієнт б=0,99, то для створення того ж самого струму емітера, величина струму бази становитиме усього 0,1 мА. При цьому величина струму колектора дорівнюватиме 9,9 мА. Іншими словами, такий транзистор підсилює струм від 0,1 мА до 9,9 мА, тобто в 99 раз. Отже, підсилювальні властивості транзистора якраз полягають у тому, що при незначній зміні величини струму бази, значно зростає величина струму колектора.

Не менш важливим параметром транзистора, який характеризує його електричні властивості, є вхідний та вихідний опір. Цей параметр має особливе значення для узгодження каскадів підсилення.

В практиці побудови каскадів радіоелектронної апаратури, найбільш часто використовуваною схемою ввімкнення транзистора є так звана схема з спільним емітером (рис.4, а). Як видно із схеми, емітер транзистора з'єднано з загальною шиною. Це означає, що вхідний сигнал, який можна подати на цей каскад, поступає на базу транзистора, натомість вихідний - знімають з його колектора. Дана схема ввімкнення транзистора забезпечує підсилення за струмом та напругою; вона характеризується відносно малим вхідним та великим вихідним опором.

Якщо транзистор ввімкнено у схему з спільною базою (СБ), то вхідний сигнал подають на емітер та загальну шину; вихідний же - знімають між колектором та цією ж загальною шиною (рис.4, б). Дана схема ввімкнення транзистора забезпечує підсилення лише за напругою. Як і в попередньому випадку, схема ввімкнення транзистора з спільною базою характеризується малим вхідним та великим вихідним опором.

Якщо транзистор ввімкнено у схему із спільним колектором СК (рис.4, в), то вхідний сигнал на таку схему подають між базою транзистора та загальною шиною, до якої через опір навантаження приєднано емітер транзистора; знімають вихідний сигнал між емітером та загальною шиною. Дана схема (її називають ще емітер ним повторювачем) забезпечує значний коефіцієнт підсилення лише за струмом; характеризується вона великим вхідним та малим вихідним опором.

Аналіз схем ввімкнення транзистора дозволяє зробити висновок про те, що керуючим переходом транзистора є перехід база-емітер; керованим є коло у яке ввімкнені емітер та колектор даного транзистора.

Використані джерела:

1. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. -Львів: «Афіша», 2001, 424 с.

2. Харченко В.М. Основы электроники. - М.: Энергоиздат, 1982.

3. Основы промышленной электроники. / Под. ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986.

4. Гершунский Б.С., Ранский Е.Г. Лабораторный практикум по основам электронной и полупроводниковой техники. - М.: Высшая школа, 1979

5. Ефимчук М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоелектроники: Учебник-Минск.: Университетское, 1986. -302 с.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ А.А.Зайцев, А.И.Миркин и др. - М.: Радио и связь, 1989.-640 с.

7. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник/За ред. Ю.Мазора та ін. - К. Вища школа, 1999. - 838 с.

8. Данько В.Г., Мілих В.І., Черкасов А.К., Болюх В.Ф. Електротехні-ка. -Київ: НМК ВО, 1990, 264 с.

9. Малинівський С.І. Загальна електротехніка. -Львів, 2001, 596 с.

10. Чабан В.Й. Загальна електротехніка. -Львів, 1998, 340 с.