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
Щобз’ясувати природу електричного струму в напівпровіднику, необхідно пригадатибудову речовини. Насамперед згадаємо, що являє собою атом хімічного елемента.Згідно сучасних наукових уявлень, атом будь якої речовини складається зпозитивно зарядженого ядра, навколо якого, на певних орбітах, обертаютьсянегативно заряджені електрони. Модель такого атома зображено на рис. 1.
/>
Рис. 1. Модель атома речовини
З рисунка видно, що електрони обертаються кожен напевній орбіті, причому ці орбіти можуть проходити у вигляді декількох шарів.Тепер згадаємо, яким чином атоми в речовині з’єднуються та утворюють молекулу.
Найпростішумодель молекули зображено на рис. 2. У цій молекулі сполучені дваоднакові атоми, причому навколо ядра кожного атома обертаються “свої”електрони, а два електрони обертаються навколо обох ядер водночас. Вони єначебто спільними для обох атомів і об’єднують їх в молекулу.
/>
Рис. 2. Модель молекули речовини
Розглянемотепер будову молекули кристалічної речовини. На рис. 3 показано фрагменткристалічної решітки одного з найпоширеніших напівпровідників – германію.На зовнішній орбіті кожного атома цього напівпровідника обертаються по чотириелектрони, 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, всезалежить від того, як стійко тримаються електрони на орбіті. Якщо орбітиелектронів у речовині дуже стійкі і електрони не полишають їх за жодних умов(при підвищенні температури, прикладенні до куска матеріалу різниціпотенціалів), то ця речовина є типовим ізолятором. Характерною ж властивістюнапівпровідників є те, що електрони, в цих матеріалах, можуть залишати своїорбіти 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 міжатомнийпростір матеріалу. Якби до напівпровідника прикласти різницю потенціалів, тоелектрон полетів би у напрямку позитивного електрода (природа походження такогоелектричного струму притаманна звичайному провіднику).
/>
Рис. 4. Схематичне зображення кристалунапівпровідника
Сконцентруймо тепер свою увагу на тому місці,звідки вилетів електрон. До цих пір позитивні заряди ядер атомів булискомпенсовані негативними зарядами електронів. Але тепер одного електронанемає. Виник некомпенсований позитивний заряд ядра атома, утворилась начебто «дірка»на місці того електрона, що вилетів, і ця дірка заряджена позитивно. А цеозначає, що “пусте” місце може зайняти один із сусідніх електронів, якце показано на рис. 5. Утвориться дірка в іншому місці, її, в своючергу, заповнить інший, сусідній електрон і т.д.
/>
Рис. 5. Рух електронів у напівпровіднику
Такимчином позитивно заряджена дірка починає рухатись в напівпровіднику, незважаючина те, що усі ядра атомів кристалічної решітки надійно перебувають на своїхмісцях. Якщо тепер до напівпровідника прикласти напругу (рис.5), тоелектрони, що заповнюють дірку, рухатимуться справа наліво. Дірка почнерухатися зліва направо, тобто до негативного полюса джерела живлення.
Отже,електричний струм у напівпровіднику зумовлений не лише спрямованим рухомелектронів, але й спрямованим рухом дірок. У цьому й полягає основнавідмінність напівпровідника від провідника.
Щож відбудеться, коли дірку заповнить не сусідній, а інший блукаючий електрон? В такому випадку дірказаповниться, а електрон перестане існувати у вигляді вільного носія заряду.Пройде так звана рекомбінація електрона і дірки.
Описанеявище провідності в напівпровідниках має місце лише в чистих матеріалах. Щож зміниться, коли в чистий напівпровідник потрапить атом, який має на орбіті нечотири електрони, а п'ять? Ясна річ, чотири електрони одразу ж займутьмісце на спільних з сусідніми атомами орбітах. А п'ятий електронвиявиться зайвим, і він вирушить в міжатомний простір речовини, оскільки йогоніщо на тримає біля свого атома. Незважаючи на те, що атом домішки буде, уцьому випадку, позитивно зарядженим, однак дірки тут немає (рис.6).
/>
Рис. 6. Схема утворення електронної провідності вкристалі напівпровідника
Такимчином, коли в чистий кристал кремнію чи германію ввести домішку, атом якої маєна зовнішній орбіті п'ять електронів, то такий напівпровідниковий матеріал будездатний проводити струм лише за рахунок електронів. Напівпровідник зелектронною провідністю називають п- провідником від латинського “negative”,тобто негативний. Домішкою для утворення в напівпровіднику n — областіможе бути, миш’як, сурма, фосфор тощо. Ці домішки називають донорами,оскільки вони, віддають один електрон із зовнішньої орбіти своїх атомів.
Уявимособі іншу картину: в чистий напівпровідник введено домішку атом якої, назовнішній орбіті, має три електрони (рис.7). Оскільки в даному випадку,щоб заповнити усі зв'язки в кристалі, не вистачає одного електрона, то порожнємісце може заповнити один із сусідніх електронів. Такий провідник матимедіркову провідність (р- провідник, від лат. “positive”,тобто позитивний).
/>
Рис. 7. Схема утворення дірковоїпровідності в кристалі напівпровідника
Домішкоюдля утворення в напівпровіднику p–області може бути алюміній, індій,бор та ін. Усі вони є акцепторами, оскільки їх атоми забирають електрону сусідніх атомів.
Розглянемопроцеси, які протікають у напівпровіднику, який має обидва типи провідності рта n (рис.8). Майте на увазі, що це не два куски різнотипних запровідністю напівпровідників, а один, у якому є області з різною провідністю, уяких чітко окреслена межа між р– та n–областями.
/>
Рис. 8. Утворення запірного шару намежі p–n– переходу напівпровідника
Електронита дірки можуть вільно переходити через межу поділу провідності. Оскільки влівій частині напівпровідника є велика кількість дірок, то вони вирушать управу, а електрони – навпаки, у ліву. Потрапивши до лівої частини з р–провідністю,електрони почнуть рекомбінувати з дірками.
Аналогічнодірки, попавши у праву частину напівпровідника рекомбінують з електронами, якіє там, а ядра атомів–донорів, лишившись некомпенсованими, набуваютьпозитивного заряду. Таким чином на межі р–і n– областейутворюються електричні заряди атомів домішок, які починають перешкоджатиподальшому проникненню електронів і дірок з однієї частини напівпровідника віншу.
Цізаряди показано на рис. 8 великими кружечками.
Такимчином між р–і n– областями утворюється непровідна ділянкапевної товщини. Приєднаємо тепер до лівої і правої частини напівпровідникаджерело живлення, як це показано на рис. 9.
Рис. 10 Вмикання p-n — переходу в прямому напрямку Якщо співставити рис. 8 та рис. 9, то можна побачити, що при такомувмиканні електричне поле атомів домішок на межі між р- і п-областями в напівпровіднику співпадає з полем, зовнішнього джерела. Принакладанні полів у суміжному шарі створюються умови, що цілком виключаютьперехід зарядів з однієї частини напівпровідника в іншу, і електричний струм непротікатиме.
/>
Рис. 9. Вмикання p-n переходу Рис. 10. Вмикання p-n переходу у зворотному напрямку впрямому напрямку
Безперечно,описана картина цілковитого припинення протікання струму через напівпровідникможлива лише за умови ідеальної чистоти як самого напівпровідника, так і донорнихта акцепторних домішок. Реально, в напівпровіднику завжди наявніінші домішки, хоч і в незначній кількості. Саме тому через р-п перехідусе-таки протікає незначний електричний струм. Графік зворотного струмунапівпровідникового діода зображено на рис. 9. Тут добре видно, що призбільшенні зворотної напруги до певної величини (точка а), суттєвогозбільшення сили струму не спостерігається. Поза цією точкою струм починає різкозростати, внаслідок чого може настати електричний пробій напівпровідника.
Теперприкладемо напругу до напівпровідника таким чином, щоб р- область булаз’єднана з позитивним полюсом джерела живлення, а п- область – з негативним.Якщо напруга джерела живлення є невеликою (0,1—0,15В), то помітногозбільшення сили струму в напівпровіднику не спостерігатимемо. Справа в тому, щохоч електричне поле, створюване джерелом живлення на р-п переході, іпротилежне наявному полю (маємо на увазі поле створене зарядом атомів домішок),але воно менше за величиною. Якщо ж надалі збільшувати напругу джерелаживлення, то електричне поле, створюване ним, перевищить на р-п переходізворотну дію поля атомів донора і акцептора (точка “б” на рис. 10),і в колі появиться електричний струм.
Такимчином, напівпровідник з р-п переходом проводить струм практично лише водному напрямку.
2. Будова, принцип роботи,характеристика тазастосування транзисторів
Транзистор - це напівпровідниковийприлад призначений для підсилення, генерування електричних сигналів, комутаціїелектричних кіл.
Щоб краще зрозуміти принцип роботи цього приладу уявімо собінапівпровідник у якого є два p-n переходи (рис. 11). Якщовідстань між цими p-n переходами є великою, тобто коли при подоланніцієї відстані електрони і дірки встигають рекомбінувати, то в такому випадкуматимемо 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 переходудо іншого не встигли рекомбінувати, необхідно відстань між межамипереходів зробити якомога меншою
Увімкнемотакий напівпровідник, відстань між p-n переходами якого є мінімальною, усхему, зображену на рис. 2. Як видно з схеми, перший (лівий) р-п перехідувімкнуто в прямому напрямку, а другий (правий) - у зворотному. Почнемотепер поступово збільшувати напругу джерела живлення G1, задавши напругуджерела G2 як деяку сталу величину. У початковий момент, коли напругаджерела G1 є дуже малою (менше 0,1В), струм через перший перехідне протікатиме, оскільки електричне поле цього джерела менше електричного поляатомів донорів і акцепторів першого (лівого за схемою) р-п переходу.Струм через другий р-п перехід також не протікатиме, оскільки цейперехід увімкнуто в зворотному (непровідному) напрямку.
/>
Рис.12. Вмиканнякристала напівпровідника з двома переходами в електричне коло
Колинапругу джерела G1 збільшувати, то при величині напруги на р-ппереході в 0,15-0,25В почне протікати електричний струм. Природацього струму, в основному, є дірковою, оскільки концентрація дірок уматеріалі Р1напівпровідника набагато вищаконцентрації електронів у середній n-області (рис. 12). Зпочатком протікання струму через р-п перехід напівпровідника виникаєдуже цікаве явище.
Ми вже зазначали, що область бази транзистора маємалу товщину і носії струму, потрапивши сюди, попадають під вплив відносновисокої напруги колектора. Завдяки цьому вони набирають великихшвидкостей, що дозволяє їм долати опір ввімкненого у зворотному напряміколекторного переходу.
Отже,дірки притягує електричне поле правої частини напівпровідника Р2(адже ця частина приєднана до негативного виводу джерела живлення G2).
Подальшезбільшення напруги джерела G2 призводить до зростання діркового струмучерез перший, а, отже й через другий р-п переходи. Таким чином у коліджерела живлення G2 виникає струм, величину якого можна регулюватиджерелом G1. Область Р1напівпровідника називають емітером (ця область емітує, тобтовипускає, віддає дірки), область n- напівпровідника – базою, а область Р2- колектором (ця область начебто збирає, колекціонує дірки). Якби на базі напівпровідника взагаліне проходила рекомбінація дірок, то струм у другому, колекторному, переході бувби рівний струмові емітерного переходу. Але ж оскільки частина дірок всетаки рекомбінує, то можна вважати, що колекторний струм пропорційний струмуемітера:
/>
У ційформулі α - коефіцієнт пропорційності, який вказує на ту часткудірок, що пройшли через емітерний перехід і досягли колектора. Чимбільший коефіцієнт α, тим кращі властивості цього напівпровідника, який іназивається транзистором. Напрям струмів через транзистор даного, типу (структура р-п-р) показанона рис.3. Оскільки струм емітера напівпровідника розгалужується на два –струм бази Іб та струм колектора Ік, то,очевидно, що сума двох останніх повинна дорівнювати струму емітера:
/>
Рис. 13. Структурна схема напівпровідникового транзистора
/>
підставивши,з першої формули, значення Ік, матимемо:
/>
Звідси:
/> або ж />
Величинаструму емітера, а значить і струму колектора, перебувають убезпосередній залежності від величини струму бази. Зазначимо, що величинакоефіцієнту α завжди більша 0,9, а в деяких транзисторах цявеличина сягає 0,998. Це значить, що з тисячі дірок, що пройшли вобласть бази через емітерний перехід, 998 попадає в областьколектора, і лише дві встигають рекомбінувати.
Такимчином, змінюючи величину базового струму, можна змінювати й величину струмуемітера, а головно й величину струму колектора. При цьому чим більше значеннякоефіцієнту α, тим ефективніше це регулювання. Так, наприклад, привеличині коефіцієнту α рівному 0,95, щоб створити силуструму емітера в 10 мА, величина струму бази повинна становити 0,5мА, тобто бути в 20 разів меншою:
/>
Уцьому випадку колекторний струм рівний 9,5 мА:
/>
Якщож узяти транзистор у якого коефіцієнт α=0,99, то для створення тогож самого струму емітера, величина струму бази становитиме усього 0,1 мА. Прицьому величина струму колектора дорівнюватиме 9,9 мА. Іншими словами,такий транзистор підсилює струм від 0,1 мА до 9,9 мА, тобтов 99 раз. Отже, підсилювальні властивості транзистора якразполягають у тому, що при незначній зміні величини струму бази, значно зростаєвеличина струму колектора.
Неменш важливим параметром транзистора, який характеризує його електричнівластивості, є вхідний та вихідний опір. Цей параметр має особливе значення дляузгодження каскадів підсилення.
Впрактиці побудови каскадів радіоелектронної апаратури, найбільш частовикористовуваною схемою ввімкнення транзистора є так звана схема з спільнимемітером (рис.4, а). Як видно із схеми, емітер транзистора з’єднаноз загальною шиною. Це означає, що вхідний сигнал, який можна подати на цейкаскад, поступає на базу транзистора, натомість вихідний – знімають з йогоколектора. Дана схема ввімкнення транзистора забезпечує підсилення за струмомта напругою; вона характеризується відносно малим вхідним та великим вихіднимопором.
/>
Якщо транзисторввімкнено у схему з спільною базою (СБ), то вхідний сигнал подають наемітер та загальну шину; вихідний же - знімають між колектором та цією жзагальною шиною (рис.4, б). Дана схема ввімкнення транзистора забезпечуєпідсилення лише за напругою. Як і в попередньому випадку, схема ввімкненнятранзистора з спільною базою характеризується малим вхідним та великим вихіднимопором.
Якщотранзистор ввімкнено у схему із спільним колектором СК (рис.4, в),то вхідний сигнал на таку схему подають між базою транзистора та загальноюшиною, до якої через опір навантаження приєднано емітер транзистора; знімаютьвихідний сигнал між емітером та загальною шиною. Дана схема (її називають щеемітер ним повторювачем) забезпечує значний коефіцієнт підсилення лише за струмом;характеризується вона великим вхідним та малим вихідним опором.
Аналізсхем ввімкнення транзистора дозволяє зробити висновок про те, що керуючимпереходом транзистора є перехід база-емітер; керованим є коло у якеввімкнені емітер та колектор даного транзистора.
Використані джерела:
1. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка тамікропроцесорна 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 поосновам 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 большоймощности: 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.