Полупроводниковые приборы

Это электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. Основой полупроводниковых приборов являются электронно-дырочные переходы – область на границе между полупроводниками с р – и n – проводимостью. Служат для генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний (полупроводниковый диод, транзистор,тиристор), преобразования сигналов одного вида в другой (оптрон, фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др.), одних видов энергии в другие (термоэлемент, термоэлектрический генератор, солнечная батарея и др.), а также для преобразования изображений, измерения электрических величин (магнитоэлектрические приборы, напр. измерительный преобразователь) и механических величин (пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на давление или механическое смещение) и др. Особый класс полупроводниковых приборов – полупроводниковые интегральные схемы, представляющие собой законченные электронные устройства в виде единого блока (пластинки) из кремния, германия и других элементов, на котором методами полупроводниковой технологии образованы зоны, выполняющие функции активных и пассивных элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.).

Достоинствами полупроводниковых приборов по сравнению с электронными лампами являются малые габаритные размеры, масса, потребляемая электрическая мощность и высокая надёжность, а недостатком – низкая радиационная стойкость.

Устройство терморезисторов. Для изготовления терморезисторов применяются полупроводниковые материалы, являющиеся смесью оксидов некоторых металлов — титана, магния, никеля, лития, марганца, кобальта. Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь. Некоторые терморезисторы не имеют специальной защитной оболочки, полупроводниковый материал в них лишь покрыт слоем лака. Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах — в закрытых камерах-термостатах.

Фоторезисторы. Опыты показывают, что электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов изменяется не только при их нагревании, но и при освещении. При увеличении освещения электрическое сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается. Это означает, что энергия, необходимая для освобождения электронов и дырок, может быть передана им светом, падающим на кристалл. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами. Фоторезисторы изготавливаются в виде тонких слоев полупроводникового вещества, нанесенных на подложку изолятора. Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PbS и ряд других.

Свойства p-n - перехода. Полупроводниковые приборы являются основой современной электронной техники. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, микрокалькуляторах и электронных вычислительных машинах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p-n - перехода.
Для создания p-n - перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.
Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок (рис. 158, а).

Диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник приводит к появлению в электронном проводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси (рис. 158, б).

Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-полупроводника в р-полупроводник или дырок из р-полупроводника в n-полупроводник. Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n - переход, является границей, разделяющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение U_k; его значение для германиевых p-n - переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых — около 0,6 В.
Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n- полупроводнике и дырки в р-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p-n - перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике.
Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p-n - переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих U_k, ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.
Способность p-n - перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.
Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.

Транзистор. Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен в 1948 г. По способу изготовления транзистор очень мало отличается от полупроводникового диода.
Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникаютдва p-n- перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером (рис. 159).

Транзисторы, в которых эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью, а база — электронной, называются транзисторами p-n-p - перехода.
Транзисторы n-p-n - перехода имеют аналогичное устройство — только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной. Условное обозначение транзистора на схемах представлено на рисунке 160.

Включение транзистора в электрическую цепь. Для приведения в действие на коллектор транзистора типа p-n-p подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к эмиттеру.
Основным рабочим состоянием транзистора в большинстве электрических схем является активное состояние, при котором к эмиттерному p-n - переходу приложено напряжение в пропускном направлении, а к коллекторному — в запирающем направлении. При этом эмиттерный p-n - переход открывается и из эмиттера в базу переходят дырки.
Путем диффузии дырки распространяются из области с высокой концентрацией вблизи эмиттера в область с низкой концентрацией к коллектору. Дырки, достигающие коллекторного p-n - перехода, втягиваются его полем и переходят в коллектор.
Небольшая доля дырок, движущихся от эмиттера к коллектору (1—5%), встречает на своем пути через базу электроны и рекомбинирует с ними. Убыль электронов в базе за счет рекомбинации восполняется приходом электронов через базовый вывод. Таким образом, ток, протекающий через эмиттерный вывод транзистора в активном состоянии I_э, оказывается равным сумме токов, протекающих через его коллекторный I_к и базовый I_б выводы:

I_э = I_к + I_б .(46.1)

Соотношение между токами коллектора и базы транзистора в активном состоянии определяется условиями диффузии и рекомбинации дырок в базе. Эти условия сильно зависят от типов использованных для изготовления транзисторов материалов и конструкции их электродов, но очень слабо зависят от коллекторного и базового напряжений. Поэтому транзистор можно рассматривать как устройство, распределяющее ток, протекающий через один из его электродов — эмиттер, в заданном соотношении между двумя другими электродами — базой и коллектором (рис. 161).

Усилительные свойства транзистора. Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока :

.(46.2)

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.
Используя параметр , связь между током коллектора I_к и током базы I_б, можно приближенно записать в виде

.(46.3)

При включении транзистора по схеме, представленной на рисунке 162 (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы является отношением изменения выходного тока к изменению входного тока . Это отношение называется коэффициентом усиления по току :

.(46.4)

Так как параметр у транзистора может иметь значения от ~20 до ~500, электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.
Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор , значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.
Изменение тока коллектора на некоторую величину приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину

.(46.5)

Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению :

.(46.6)

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, обычно составляет несколько сотен ом. Коэффициент усиления транзисторного каскада по напряжению при условии может превышать значение коэффициента усиления по току .
В качестве усилительных элементов транзисторы широко применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах.
Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.

Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет

Самостоятельная работа студента

Работу выполнила Студентка гр. 4111-12 Гимадиева Гулия Проверил Варнакова Т.Ф.

Казань 2013