Полупроводниковые приборы, транзисторы

Введение

Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса).

1. Электронно-дырочный p - n переход

В основе принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с проводимостями различного типа, p и n типа. Для простоты эту границу принято называть p - n переходом, или электронно-дырочным переходом, что характеризует вид основных носителей зарядов в двух примыкающих друг к другу зонах полупроводника.

Различают два вида p - n переходов: плоскостной и точечный. Плоскостной переход получается путём помещения кусочка примеси, например, индия на поверхность германия n типа и последующего нагревания до расплава примеси. При поддержании определённой температуры в течение определённого времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку полупроводника на небольшую глубину. Создаётся зона с проводимостью, противоположной проводимости исходного полупроводника, в данном случае p типа для n германия.

Точечный переход получается в результате установления плотного электрического контакта тонкого проводника, имеющего электронную проводимость, с поверхностью полупроводника p типа. Именно на этом принципе действовали первые кристаллические детекторы, которые применялись в 20 - 30-х годах.

Характерной особенностью p - n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения, чего никогда не наблюдается в полупроводнике одной проводимости. Для того чтобы уяснить, почему это происходит, надо обратиться к действию внешнего напряжения различной полярности, прикладываемого к двум зонам полупроводника, имеющим проводимости разного типа.

В том случае, когда положительный полюс напряжения приложен к зоне p, где основными носителями заряда являются дырки, а отрицательный полюс - к зоне n, где основные носители заряда - электроны, под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны - отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны будут двигаться навстречу друг другу, к p - n переходу, где происходит их рекомбинация. Пока приложено напряжение, через переход всё время течёт ток. Чем больше напряжение, тем больше будет ток через переход. В этом случае принято говорить, что переход включён в прямом направлении, характеризующемся малым сопротивлением и большим током.

Если изменить полярность включения внешнего источника, то дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны - к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднён носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится, и, как следствие этого, ток через переход станет очень малым. В этом случае говорят, что к переходу приложено напряжение в обратном, запорном направлении, когда сопротивление перехода велико, проводимость и ток малы. Благодаря своей способности хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо - в другом p - n переход обладает выпрямляющими свойствами, широко используемыми в полупроводниковых диодах, являющихся самыми простыми и исторически самымипервыми полупроводниковыми приборами. В соответствии с видом перехода различаются плоскостные и точечные диоды, которые могут быть кремниевыми или германиевыми.

2. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

В отличие от полупроводниковых диодов биполярные транзисторы имеют два электронно - дырочных перехода. Основанием прибора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в неё вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом, получают транзистор типа n - p - n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя - полупроводником с дырочной проводимостью, и транзистор типа p - n - p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя - полупроводником с электронной проводимостью. Нижнюю область называют эмиттером, а верхнюю коллектором.

На границах областей с различной проводимостью образуются два перехода. Переход, образованный вблизи эмиттера, называется эмиттерным, вблизи коллектора - коллекторным. При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включён либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзисторов: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный заперт. Если же эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом, то транзистор работает в обращённом (инверсном) включении.

В основном транзистор используется в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p - n - p подают отрицательное напряжение относительно эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.

3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора и тока эмиттера (в) соответственно на резисторах К и К_э создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы Uвых было бы во много раз большое вызвавшего его приращения Uвх(а, б) или близко к нему (в).

1. Схема включения транзистора с общей базой

От генератора синусоидального напряжения сигнал подаётся между эмиттером и базой. Источники постоянного напряжения создают питание транзистора и выпрямления в прямом направлении. Выходное напряжение снимается относительно коллектора и базы с дополнительным сопротивлением коллекторного перехода R_к. Источник постоянного тока коллекторной цепи регулирует величину коллекторного тока. Позволяет регулировать токи в широких пределах и используется на начальном этапе электронных цепей.

2. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Основное напряжение подаётся от генератора переменного тока между эмиттером и базой. Выходное напряжение формируется между коллектором и эмиттером, на сопротивлении в коллекторной цепи. Источники постоянного тока служат для управления транзистором.

Применяется в большинстве электрических устройств усилительного типа.

3. Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Основное напряжение подаётся от генератора переменного тока между эмиттером и базой. Выходное напряжение снимается с сопротивления включенного в эмиттерную цепь, которое имеет достаточно высокое сопротивление. Источники постоянного тока служат для управления транзистором.

Используют в достаточно мощных электрических цепях для повторения формы сигналов входящего напряжения на коллекторе.

4. Усиление тока

Обычно зависимость тока коллектора от тока эмиттера выражается через коэффициент усиления по току, который обозначается буквой б («альфа»). Этот коэффициент определяется как отношение приращения тока коллектора Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера Iэ, а именно

б = Ik/Iэ

За счёт близкого расположения переходов и вследствие совершенной технологии производства величина б современных плоскостных транзисторов обычно находится в пределах от 0,9 до 0,997.

Одному и тому же приращению тока эмиттера будут соответствовать различные значения вызванного им приращения тока коллектора в зависимости от выбора исходной рабочей точки на характеристике. Это говорит о том, что величина коэффициента, а зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера.

При малых напряжениях коллектора коэффициент, а растёт с увеличением напряжения. Это объясняется в основном тем, что при малых напряжениях носители зарядов базы вяло, втягиваются в коллектор, но чем больше напряжение на коллекторе, тем энергичнее происходит втягивание. Нак5онец, при напряжении около 2 - 3 в практически все носители зарядов, оказывающиеся вблизи коллекторного перехода, попадают на коллектор. Поэтому дальнейший рост тока коллектора по мере увеличения напряжения на нём практически прекращается, а ток базы несколько уменьшается. При напряжении, близком к максимально допустимому для данного типа транзистора (обычно 15 - 60В, иногда более), вновь наблюдается заметный рост величины коэффициента а, которая может достичь единицы и более. Но такой режим работы практически не используется и обычно не рекомендуется, так как резко возрастает опасность выхода из строя транзистора.

Вывод

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике -- теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Список литературы

"Электронные твердотельные приборы"- Е.И. Бочаров, Г.Б. Гогоберидзе, Ю.М. Першин, К.С. Петров, А.Н. Штагер

"Руководство к лабораторным работам по курсу "Электронные твердотельные приборы (Выпуск 2)"

"Пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры" - К.С.Петров