Полупроводниковый триод это кратко

Обновлено: 03.07.2024

Продолжаем рассматривать полупроводники (см. Занятие 62 ).

Полупроводниками называются вещества, в которых при обычных условиях нет свободных электронов, поэтому они не могут пропускать электрический ток, то есть являются диэлектриками.

Проводимость полупроводников можно повысить или их нагреванием, или введением в них примесей.

При введении примесей получают полупроводники с электронной проводимостью ( п- типа ) или с дырочной проводимостью ( р - типа ).

В месте контакта двух полупроводников разных типов проводимости получается переходный (запирающий) слой, который препятствует перемещению электронов и дырок из одной области в другую.

Сопротивление запирающего слоя (р-п перехода) и определяет выпрямляющие действия полупроводникового диода .

А именно, если подключить полюса источника постоянного тока "плюсом" к полупроводнику п-типа, а "минусом" - к полупроводнику р -типа, то "запирающий" слой расширяется и сопротивление места контакта полупроводников возрастает, то есть р-п переход в этом случае не пропускает ток. Если полярность источника тока поменять, то через переходный слой пройдёт большой ток.

Этим и объясняется применение полупроводникового диода в качестве выпрямителя переменного тока.

Теперь рассмотрим принцип работы полупроводниковых триодов на примере кристалла германия, содержащего три области проводимостью р-п-р типа.

Чтобы лучше разобраться с происходящими в полупроводниковом триоде физическими процессами, посмотрим сначала в отдельности, что произойдёт при подключении постоянного напряжения эмиттера (рис.а): при подключении постоянного напряжения коллектора (рис. б); при подключении обоих источников постоянного напряжения одновременно (рис. в).

При подключении источника постоянного напряжения между эмиттером и базой положительным полюсом к эмиттеру, большая часть основных носителей положительного заряда ( дырок ) преодолеет переход 1 и п ерейдёт в базу (очень узкую область, где основными носителями заряда являются электроны).

Медленно перемещаясь в базе, дырки частично будут рекомбинировать с электронами базы, превращаясь в нейтральные атомы германия.

В цепи эмиттера установится постоянный ток .

Чем большее напряжение подаётся между эмиттером и базой, тем больше перебросится положительных зарядов в область базы, тем больше будет ток эмиттера.

Если сравнить триод с электронной лампой, то здесь эмиттер играет роль катода, излучая заряды в базу.

Теперь представим, что другой источник постоянного тока (в отсутствие первого) подсоединён положительным полюсом к базе, а отрицательным - к коллектору (рис.б).

Тогда подсоединённое электрическое поле будет препятствовать прохождению электронов из базы в коллектор и движению положительных зарядов (дырок) из коллектора в базу. Поэтому ток в цепи коллектора равен нулю (если бы эмиттер не поставлял положительные заряды в базу, тока в цепи коллектора не было бы).

Теперь к триоду подсоединены оба источника постоянного тока (рис. в).

В этом случае перебрасываемые из эмиттера в базу положительные заряды подхватываются полем коллектора и переносятся через второй переход на коллектор. В цепи коллектора появляется постоянный ток, величина этого тока зависит не только от напряжения между базой и коллектором, но ещё зависит от тока эмиттера.

Вся необходимая энергия берётся от источников тока.

Чем больше ток эмиттера (чем больше зарядов перебрасывается в область базы), тем больше их попадает в электрическое поле коллектора.

В базе есть движение и основных носителей заряда базы (электронов) в сторону эмиттера, и к базе подведён положительный полюс источника базы, но их совместное действие почти не влияет на движение дырок в базе.

Поэтому считают, что ток коллектора практически равен току эмиттера.

Всё сказанное выше для некоторого полупроводникового триода иллюстрируется входными и выходными характеристиками.

На следующем рисунке показаны входные характеристики некоторого полупроводникового триода

Они представляют собой графики зависимости тока в цепи эмиттера от величины приложенного напряжения между эмиттером и базой при неизменном напряжении на коллекторе. Увеличение напряжения на коллекторе приводит к некоторому увеличению тока эмиттера.

По входным характеристикам определяют входное сопротивление полупроводникового триода, по отношению величины изменения напряжения на изменение тока при этом изменении напряжения.

На следующем рисунке показано семейство выходных характеристик для этого полупроводникового триода:

Они представляют собой графики зависимости тока коллектора от напряжения на нём при постоянной величине тока эмиттера.

Графики показывают, что при малых напряжениях на коллекторе, его ток увеличивается пропорционально напряжению, но начиная с некоторого напряжения ток коллектора перестаёт расти.

Это значит, что все испускаемые эмиттером заряды увлекаются полем коллектора. В это режиме ток коллектора можно увеличить только за счёт увеличения тока эмиттера.

Выходные характеристики полупроводниковых триодов позволяют определить необходимые величины тока эмиттера для получения требующейся величины тока коллектора.

В следующей статье будет рассмотрена тема: "Усилительные свойства полупроводниковых триодов".

Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.

Предыдущая запись : Занятие 62 . Электрический ток в полупроводниках.

Следу ющая запись : Усилительные свойства полупроводниковых триодов.

Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .

Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .

Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58 .

При прохождении переменного тока через рассмотренную цепь возникает явление выпрямления переменного тока: действительно, при одной полярности ток через цепь пойдет, при другой нет. Полупроводниковое устройство, состоящее из p- и n-материалов, представляет собой очень важный в современной технике прибор - полупроводниковый диод (диод - прибор с двумя электродами).

Если же в цепь переменного тока включен диод, переменный ток будет преобразовываться в ток пульсирующий. В отличие от переменного, он протекает только в одну сторону. Однако значение его непрерывно изменяется. Между временными интервалами, когда ток идет, находятся интервалы, во время которых ток настолько мал, что можно считать, что его нет. Очевидно, так же будет изменяться падение напряжения на любом сопротивлении в этой цепи. Пульсации можно уменьшить, включив параллельно такому сопротивлению конденсатор.

Разряд конденсатора в моменты уменьшения пульсирующего тока посылает в цепь дополнительный ток и тем самым уменьшает пульсации. Применив более сложные схемы сглаживания пульсаций, их можно довести до ничтожно малых значений. Именно так, включая вилку в розетку переменного тока, получают в радиоприемнике, телевизоре и других устройствах постоянное напряжение, необходимое для питания имеющихся в них полупроводниковых и электровакуумных приборов. В радиоприемниках и телевизорах полупроводниковые диоды имеют еще одно важное подобное применение - детектирование приходящих сигналов.

Полупроводниковые триоды

Представим, что переход p-n слева открыт для прохождения тока. Переход p-n справа - закрыт. Через левый p-n-переход будет протекать в p-материал электронный ток. Введение в p-материал из соседнего n-материала электронов называется инжекцией.

Часть инжектированных электронов будет попадать в имеющиеся в среднем кубике дырки и, таким образом, и дырки и электроны будут пропадать. В теории полупроводников этот процесс (по аналогии с соединением иона с электроном в газовом разряде) называется рекомбинацией электронов и дырок. Но рекомбинирует только малая часть электронов (чтобы добиться этого, кубик делают очень тонким - доли микрона). Основное их количество из тех, которые перешли границу, скапливается в р-кубике. Когда каких-либо частиц в одном месте больше, чем в других, начинается процесс диффузии - выравнивания концентраций. Соответственно в p-кубике происходит процесс диффузии носителей тока (в данном случае электронов). От границы с левым кубиком, где их особенно много, электроны диффундируют к правой границе. Но для электронов правый переход открыт, и они переходят в правый кубик. Так как рекомбинирует лишь малая часть электронов, то основная их масса проходит в правый кубик. Следовательно, ток через него примерно равен току через левый кубик. Напряжение источника в цепи правого кубика много больше, чем в цепи левого. Поэтому в цепь правого кубика можно включить большое сопротивление. Падение напряжения на большом сопротивлении превышает напряжение, подаваемое на левый p-n-переход. Значит, из трех кубиков создается трехэлектродный прибор, который может усиливать напряжение. Напряжение на выходе прибора будет повторять изменения напряжения на входе, но значение его будет увеличено.

Этот прибор - полупроводниковый триод, или транзистор. Соединение отдельных p- и n-кубиков, позволяет создать аналогичный прибор, но теперь основную роль будут играть дырки. Электроды транзистора называются эмиттер, база, коллектор.

Полупроводниковые триоды

Полупроводниковые триоды , или транзисторы, широко применяются в современной электронной аппаратуре для усиления и генерирования электрических колебаний благодаря ряду достоинств по сравнению с электронными лампами. Транзисторы по своим размерам и весу в десятки раз меньше и легче электронных ламп; они обладают большой механической прочностью, долговечностью. Самым большим преимуществом транзистора является его высокая экономичность. В отличие от электронной лампы, у транзисторов отсутствуют цепи накала. Питающие напряжения, необходимые для их нормальной работы, в десятки раз меньше, чем у электронных ламп.

Вместе с тем, транзисторы, выпускаемые промышленностью, пока еще страдают многими недостатками, к которым относятся главным образом разброс параметров, зависимость их от температуры, ограниченный рабочий диапазон частот, сравнительно высокий уровень шумов. В целях ликвидации указанных недостатков ведутся соответствующие научно-исследовательские работы, но пока по этим причинам в ряде случаев не удается заменить электронную лампу транзистором.

Промышленность в основном выпускает плоскостные полупроводниковые триоды . По сравнению с точечными транзисторами они имеют более стабильные параметры, что способствует более устойчивой работе транзистора в схеме.

Полупроводниковый триод представляет собой систему, состоящую из двух близко расположенных n — р-переходов. Основным элементом транзистора, его базой (основанием) является кристалл германия или кремния с n- или р-проводимостью. Этот кристалл образует внутренний слой полупроводникового триода. Крайние слои имеют проводимость одного и того же типа, но противоположную проводимости базы. Один слой, называемый эмиттером, образует с базой эмиттерный переход. Другой крайний слой называется коллектором и образует с базой коллекторный переход.

В зависимости от чередования слоев с n- и р-проводимостями различают транзисторы типа n—р—n и транзисторы типа р—n—р. Следует иметь в виду, что, несмотря на одинаковую проводимость эмиттерного и коллекторного слоев, содержание примеси в них различно, поэтому эмиттер и коллектор не взаимозаменяемы. Наибольшую плотность основных носителей имеет эмиттер, а наименьшую — база.

На рис. 81 приведены схематическое и условное изображения транзисторов.

Рис. 81. Схематическое (а) и условное (б) изображения транзисторов.

При изготовлении транзистора в качестве базы преимущественно используется германий, так как подвижность основных носителей в нем гораздо больше, чем в кремнии.

Поэтому удается получить германиевые транзисторы, работающие на более высоких, по сравнению с кремниевыми, частотах. Однако транзисторы с кремниевым основанием выдерживают более высокие температуры.

Конструкция плоскостного транзистора (германиевого триода типа n—р—n) показана на рис. 82 . Его базой является пластинка кристалла германия. Толщина пластинки измеряется десятками, а иногда и единицами микрон. На пластинку германия с двух сторон наплавляется сурьма. В местах сплавления сурьмы и германия образуются два слоя (эмиттер и коллектор) с проводимостью типа n.

Рис. 82. Конструкция плоскостного транзистора. 1 — крышка корпуса; 2—пластинка германия; 3—изолятор; 4 — выводы электродов; 5—основание корпуса .

Пластинка германия крепится в кристаллодержателе, в свою очередь, укрепленном на металлическом основании корпуса транзистора, к которому непосредственно припаян вывод базы. Выводы от эмиттера и коллектора пропущены также сквозь основание корпуса через проходные стеклянные изоляторы.

Подобное же устройство имеет плоскостной сплавной германиевый полупрводниковый триод типа р—n—р, с той лишь разницей, что акцепторным веществом обычно является индий. Конструктивное оформление р—n—р-транзистора ничем не отличается от подобного транзистора типа n—р—n, представленного на рис. 82 .

Принцип действия полупроводникового триода заключается в том, что через эмиттерный переход э, на который подано прямое напряжение, проходит ток эмиттера Iэ ( рис. 83 ).

Этот ток является суммой токов основных носителей эмиттера и основных носителей базы:

I э =I о.н.э +I о.н.б (92)

где I о.н.э — ток дырок, перемещающихся из эмиттера в базу; I о.н.б — ток электронов, перемещающихся из базы в эмиттер.

Рис. 83. Схема, иллюстрирующая принцип действия транзистора.

Следует иметь в виду, что направление перемещения дырок совпадает с обозначением направления тока.

Дырки, попавшие из эмиттера в базу, образуют у эмиттерного перехода повышенную концентрацию неосновных носителей тока базы, они диффундируют в направлении к коллектору.

Электрическое поле базы почти не влияет на движение дырок в базе, так как оно компенсируется противоположным полем основных носителей базы. Так как толщина базы мала, а следовательно и расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами тоже мало, то большая часть дырок — неосновных носителей базы — доходит до коллекторного перехода, и только лишь очень незначительная часть рекомбинирует в базе с электронами, участвуя в создании тока базы I б .

Между коллектором и базой прикладывают сравнительно большое обратное напряжение U бк . Однако для дырок в базе (неосновных носителей базы) это напряжение является ускоряющим. Поэтому дырки под действием напряжения коллектора двигаются через коллекторный переход и увеличивают ток коллектора

I к = I к.о + αI э . (93)

где I к.о — обратный ток коллекторного перехода (ток неосновных носителей) измеряется единицами микроампер и поэтому практически мало влияет на ток коллектора; I э — ток через эмиттерный переход; α — коэффициент усиления по току, который показывает, какая часть полного тока эмиттера попадает в коллектор м вызывает его увеличение.

Из формулы (93) следует, что, изменяя ток эмиттера (или напряжение между эмиттером и базой), можно управлять током коллектора аналогично тому, как можно было управлять анодным током в электронной лампе, изменяя напряжение на управляющей сетке.

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 точечныеи 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 Сu₂О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu₂О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu₂О, 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 Сu₂О 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.

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.

Рис. 339 Рис. 340

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

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.

Читайте также: