Полупроводники

Автор: , 29 Июл 2019

kremniy

 

Седьмая обучающая статья познакомит вас с полупроводниками и с некоторыми полупроводниковыми приборами.  Рассмотрим происходящие процессы в полупроводниках и их свойства. Как мы уже знаем из первой обучающей статьи — полупроводники это нечто среднее между проводником и изолятором (непроводником).

В основном для полупроводниковых приборов используют такие материалы как кремний и германий.

Свойства полупроводников

Проводимость зависит от температуры — при низкой температуре полупроводники хуже проводят ток, вплоть до того, что становятся изоляторами при абсолютном нуле, в отличие от проводников, которые при понижении температуры лучше проводят ток. А при повышении температуры сопротивление уменьшается (у проводников наоборот увеличивается).

Также проводимость зависит от воздействия света — сопротивление полупроводника становится меньше. Также полупроводники способны вырабатывать электроэнергию под воздействием света. На основе последнего свойства делают солнечные батареи.

Проводимость зависит и от примесей, чем «чище» материал полупроводника, тем больше его сопротивление.

Основные материалы полупроводников кремний и германий имеют по четыре валентных электрона во внешних слоях оболочек, остальные электроны находятся во внутренних слоях и «вырвать» их оттуда практически невозможно. То есть, для переноса зарядов имеется всего четыре электрона.

Атом приобретает отрицательный заряд, если к нему прикрепился лишний электрон и наоборот — положительный заряд, при потере электрона. Атомы  расположены очень близко и поэтому эти валентные электроны образуют единые орбиты с электронами соседних атомов. При этом образуется двухэлектронная (валентная) связь — каждый атом связан с соседними четырьмя двумя электронами (один соседа, второй свой).

В полупроводнике, вследствие теплового движения, постоянно происходит хаотическое перемещение электронов, одни электроны покидают свои орбиты, образуя «дырки», а другие электроны заполняют эти дырки. Если же к полупроводнику приложить напряжение, то направление движения электронов и образование дырок примут направленный характер.

Схема движения электронов

Обозначим условно двумя линиями межатомные связи, состоящие из валентных электронов. Атомы в виде кружков с «+», а свободные электроны в виде чёрных точек.

poluprovodnik

Электроны, которые освободились возле минуса источника питания двигаются в сторону положительного полюса, но встретив по пути дырку они её заполняют. Те электроны, которые находятся вблизи плюсового полюса источника покидают полупроводник и оставляют после себя дырки, Недостаток электронов восполняется со стороны минусового полюса источника.

Таким образом электроны двигаются от минуса к плюсу, а дырки наоборот от плюса к минусу.

Как уже говорилось выше — если в полупроводник добавить примеси других элементов, то его проводимость улучшится, а в зависимости от вида примеси проводимость будет дырочной или электронной.

Это зависит от структуры примеси, атомы которой встраиваются между атомами полупроводника — если атом примеси будет обладать пятью валентными электронами, то пятый электрон станет лишним, проводник будет обладать электронной проводимостью. Такие полупроводники называют n — типа (negativ).

Если же атом примеси будет обладать тремя валентными электронами, то будет не хватать одного электрона , такой проводник будет обладать дырочной проводимостью и называться p — типа (pozitiv).

Диоды

Диод это полупроводниковый прибор, состоящий из двух полупроводников один n -, а другой p — типа. Соответственно диод имеет два металлических вывода: анод, соединённый с полупроводником р — типа и катод, соединённый с полупроводником n — типа.

Диод проводит ток только в одном направлении. Когда к его анод подсоединён к плюсу, а катод к минусу источника питания.

diod

Диод

При таком включении диода дырки из области р — типа перемещаются навстречу электронам из области n — типа. Встретившись на p — n границе электроны заполняют дырки. При такой полярности включения сопротивление p — n перехода мало, через диод течёт ток, который называют прямым током.

На рисунке показан также один из кремниевых диодов средней мощности и графическое изображение диода на схемах.

При включении диода в обратной полярности (минус к аноду, плюс к катоду) он почти не будет проводить ток, такой ток называется обратным и составляет единицы миллиампер (для диодов средней мощности).

Теоретически обратного тока вообще не должно быть, потому что электроны и дырки будут стремиться в противоположные стороны и диод окажется закрытым. Но абсолютно чистых материалов не бывает, поэтому в области р будет некоторое количество электронов, а в области n — некоторое количество дырок, за счёт чего и будет протекать обратный ток, но он в тысячи раз меньше прямого.

Если же диод будет подключен в цепь переменного тока, то он будет пропускать только одну полуволну переменного тока. Это свойство используют для выпрямления (преобразования переменного в постоянный) тока.

Вы можете провести опыт с батарейкой и лампочкой от карманного фонарика и диодом (можно взять марки Д226, Д9, Д7…). Соедините лампочку и диод последовательно и подключите к батарейке, потом поменяйте полярность. Если диод исправен, то лампочка будет гореть только, если на анод будет подан минус, а на катод, соответственно, плюс.

Параметры диодов

Конечно же существуют ограничения по максимальным току, напряжению и другим параметрам конкретного диода. Выпрямительные диоды характеризуются несколькими важными параметрами:

  • Uобр.макс. — максимально возможное обратное напряжение;
  • Iпр.макс. — максимально допустимый средний выпрямленный ток;
  • Iобр. — обратный ток;
  • fраб.макс. — максимальная рабочая частота;
  • Tк.макс. — максимально допустимая температура корпуса диода.

Стабилитроны

В принципе стабилитрон это тоже диод и он может выполнять функцию диода при определенных условиях, но предназначен для стабилизации напряжения.

Стабилитрон, в отличие от диода, работает при обратном включении. Для наглядности посмотрим его вольт-амперную характеристику (ВАХ).

VAH

ВАХ стабилитрона

Для стабилитрона рабочей является нижняя (обратная) ветвь ВАХ (для диода верхняя, прямая). Как видно из рисунка — незначительное увеличение обратного напряжения приводит к значительному увеличению обратного тока. Но в начале обратной ВАХ ток возрастает незначительно до определённого значения, которое и будет напряжением стабилизации.

Стабилитрон устанавливают параллельно нагрузке, благодаря чему на этой нагрузке всегда постоянное напряжение, равное напряжению стабилизации конкретного стабилитрона. Напряжение стабилизации будет находится в пределах между минимальным (Uвых.мин) и максимальным (Uвых.макс.) напряжением стабилизации.

stabilitron

Стабилитрон

На рисунке внешний вид стабилитрона и его графическое обозначение на схемах.

Параметры стабилитронов

Наиболее важными параметрами стабилитронов являются:

  • Uст. — напряжение стабилизации;
  • Iст.мин. — минимальный ток стабилизации;
  •  Iст.макс. — максимальный ток стабилизации;
  • Pмакс. — рассеиваемая мощность.

При токе меньше тока стабилизации стабилитрон работать не будет, а при токе стабилизации выше максимального стабилитрон выйдет из строя (произойдёт тепловой пробой p-n перехода).

Транзисторы

Транзисторы бывают биполярными и полевыми. Полевые гораздо реже используются, поэтому рассмотрим биполярные. Транзистор состоит из трёх областей разных типов, бывают транзисторы n-p-n и p-n-p структуры.

 

bipoljarnye-tranzistory

Биполярные транзисторы

На картинке изображены транзисторы разной структуры, их обозначения на схемах и примеры настоящих транзисторов.

Транзистор в основном используется для усиления сигналов.

Его переходы эмиттерный(эмиттер-база) и коллекторный (коллектор-база) могут работать как обычный диод, в этом можно убедиться проведя тот же опыт, что и для диода, описанный выше, с лампочкой и батарейкой, для опыта можно взять транзисторы марок МП25-МП42, 2N273, 2N405, 2N406, 2SB170, 2SB173, AC540… А вот если взять электроды эмиттер и коллектор, то лампочка гореть не будет ни при какой полярности.

Давайте посмотрим схему при которой транзистор будет усиливать сигнал.

tranzistor-usilitel

На схеме обозначено:

  • L1 — Лампа от карманного фонаря 3,5 В.
  • G1 — батарейка D, АА, ААА 1,5В (или источник питания 1-2 В).
  • G2 — батарейка 3R12 (или источник питания 4-6 В).
  • R1 — резистор МЛТ-0,125,  200 Ом (150-300 Ом).
  • VT1 — транзистор МП40 (или из указанных выше).

Если разорвать цепь в точке 1, то лампочка погаснет, если восстановить, то лампочка снова загорится. В принципе можно разрывать и провод идущий от плюса G1 к эмиттеру, а можно сразу оба, разницы никакой. Причём лампочка загорается мгновенно и если размыкать и замыкать цепь периодически, то лампочка будет загораться точно в такт.

Таким образом мы управляем лампочкой с помощью меньшего напряжения и меньшего тока, а транзистор зажигает лампочку для которой требуется гораздо больший ток и напряжение. Происходит усиление сигнала.Такой режим работы транзистора называется ключевым, то есть транзистор либо полностью закрыт, либо открыт.

Если же вместо G1 с R1 подключить микрофон (или телефонный капсюль),через конденсатор ёмкостью 0,1-0,5 мкФ (микрофон с конденсатором соединяют последовательно), а вместо лампочки телефонный капсюль, то получится усилитель звуковой частоты. Правда для этого нужно будет приоткрыть транзистор, подав на его базу напряжение смещения от минуса G2 через  резистор сопротивлением около 200 кОм, иначе  микрофон не сможет сам открыть транзистор, его сигнал слишком слаб, а если всё же откроет, то будут искажения, так как эмиттерный переход будет «срезать» положительные сигналы входного напряжения.

Конденсатор же нужен для того, чтобы проходил только сигнал звуковой частоты, иначе база будет соединена с эмиттером и усиления не произойдёт.

 

Комментарии

Ваш комментарий

Обратите внимание: Комментарии модерируются, и это может вызвать задержку их публикации. Отправлять комментарий заново не требуется.


snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake