Полупроводниковый диод. Как видим, контакт двух примесных полупроводников с переходом обладает односторонней проводимостью

Как видим, контакт двух примесных полупроводников с переходом обладает односторонней проводимостью. Способность перехода пропускать ток только в одном направлении используется в силовых установках тока и в радиотехнике для выпрямления и преобразования высокочастотных электрических колебаний. Прибор с одним переходом называется полупроводниковым диодом (см. рис. 35.23).

Стрелка в обозначении полупроводникового диода на схемах соответствует прямому току. Во время положительного полупериода входного напряжения сопротивление диода очень мало по сравнению с сопротивлением резистора R, на котором падает выходное напряжение, поэтому . Во время отрицательного полупериода сопротивление диода, наоборот, намного превышает сопротивление резистора R, поэтому . Графики зависимости и от времени приведены на рис. 35.24.

Транзистор

Транзистор – это электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот.

Наиболее распространенный транзистор изготовляется на базе кристаллической пластинки германия, кремния или другого полупроводника размером приблизительно 2 на 2 мм с электронной ( типа, см. рис. 35.25), или дырочной ( типа, см. рис. 35.26) электропроводностью. Контролируемым введением примеси с противоположных граней пластинки создаются области (эмиттер и коллектор), имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости самой пластинки (базы). Примеси продолжают вводить до тех пор, пока толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, не уменьшится до . Между эмиттером и базой а также между коллектором и базой возникают два

Если база имеет электропроводность типа, а эмиттер и коллектор – электропроводность типа, то такой транзистор будет иметь структуру (рис. 35.25). Если, наоборот, база имеет электропроводность типа, а эмиттер и коллектор электропроводность типа, то это транзистор со структурой (рис. 35.26). В области коллектора при роботе транзистора выделяется больше тепла, поэтому коллектор делают большим по объему, чем эмиттер. Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называется коллекторным, между эмиттером и базою – эмиттерным.

Условные графические изображения на схемах транзисторов разных структур отличаются направлением стрелки, символизирующей эмиттер. У транзистора структуры стрелка эмиттера повернута к базе (рис. 35.27, а у транзистора – от базы (рис. 35.28). Стрелка эмиттера указывает направление тока через транзистор. Схема простейшего усилителя колебаний звуковой частоты показана на рис. 35.29.

Усиливаемый сигнал подается на зажимы “Вход”. Участок коллекторной цепи, к которому подключены телефоны BF, является выходом усилителя. Батарея GB напряжением служит источником питания усилителя. Поскольку в усилителе используется транзистор структуры , батарея отрицательным полюсом соединена с эмиттером, а положительным – с коллектором (через телефоны).

Резистор является линейным элементом, так как его сопротивление не зависит от тока, а следовательно, зависимость напряжения от тока линейна. Транзистор можно рассматривать как нелинейный элемент, подключенный между отрицательным полюсом батареи питания и телефонами, сопротивление которого изменяется в соответствии с величиной входного сигнала. Если входное напряжение возрастает, то уменьшается сопротивление этого элемента, увеличивается величина тока, протекающего через этот элемент и телефоны. Если входное напряжение уменьшается, то сопротивление этого элемента растет и уменьшается величина тока, текущего через этот элемент и через телефоны. Этот элемент вместе с телефонами образует делитель напряжения, к которому подключена батарея питания. При увеличении (уменьшении) входного напряжения сопротивление нелинейного элемента уменьшается (увеличивается), а следовательно, уменьшается (увеличивается) напряжение на этом элементе. Переменная составляющая этого напряжения рассматривается как выходное напряжение усилителя. Графики зависимости и от времени приведены на рис. 35.30.

Изменять сопротивление нелинейного элемента можно, увеличивая или уменьшая концентрацию носителей тока. Коллекторный переход включен в запорном направлении и поэтому носителей тока в коллекторном переходе практически нет.

Чтобы иметь возможность ввести носители тока в коллекторный переход, между базой транзистора и положительным проводом питания включен резистор , сопротивление которого подбирают при наладке усилителя (на схемах резисторы, величина которых требует подбора, помечаются звездочкой). Через этот резистор и через эмиттерный переход транзистора течет ток, поскольку на эмиттерныйпереход напряжение подается в прямом направлении. Большая часть напряжения падает на резисторе . Между базой и эмиттером устанавливается небольшое постоянное напряжение (для германиевых транзисторов 0,1...0,2 В, для кремниевых 0,6...0,7 В), которая называется напряжением смещения.

Толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, очень мала (0,1...1 мкм), и поэтому большая часть (около 99%) носителей тока (электронов), выходящих из эмиттера, вследствие хаотического теплового движения попадают в область коллекторного перехода. Введение носителей тока через переход в область, где они являются неосновными, называется инжекцией. Наличие носителей тока в области коллекторного перехода приводит к снижению его сопротивления. В цепи “отрицательный полюс батареи питания – эмиттер – коллектор – телефоны – положительный полюс батареи питания” течет электрический ток.

Конденсатор – вспомогательный элемент усилителя: он не создает заметного сопротивления входному сигналу и в то же время препятствует замыканию постоянного тока базовой цепи транзистора на отрицательный полюс батареи питания через источник сигнала.

Ко входу усилителя можно подключить звукосниматель электропроигрывателя. Слабый сигнал звуковой частоты, создаваемый звукоснимателем, будет вызывать периодическую перезарядку конденсатора . Таким образом, вместе с постоянным током через эмиттерный переход будет протекать еще и переменный ток звуковой частоты. Сопротивление коллекторного перехода будет меняться по закону изменения сигнала звуковой частоты. Поэтому и ток в телефонах будет изменяться по тому же закону. Телефоны будут возбуждать звуковые волны в воздухе. Таким образом, транзистор усиливает слабый сигнал, создаваемый звукоснимателем.

Если в усилителе используется транзистор типа , то изменяется полярность подключения батареи питания.

Возможно, у вас уже возник вопрос, как же поддерживается пропускной ток в области диода или транзистора? Казалось бы, этот ток должен быстро прекратиться вследствие исчерпания дырок в области. Но это не так. В момент подключения области к электрической цепи электроны из металлического провода диффундируют в область и рекомбинируют здесь с дырками. Поэтому на границе металла и области полупроводника возникает потенциальный барьер (точно такой же, как и в переходе), который приостанавливает дальнейшую диффузию. Потенциал области становится при этом отрицательным относительно металла. Когда же часть дырок через переход покидает область, разность потенциалов в контакте область – металл возрастает и напряженность этого поля становится достаточной, чтобы оторвать валентный электрон от атома полупроводника. Возникшая дырка движется к переходу, а электрон идет в металл и поддерживает ток в проводе.

Микроэлектроника

Микроэлектроника – это отрасль электроники, разрабатывающая интегральные микросхемы – электронные устройства (усилители, микропроцессоры компьютеров и т. д.), которые изготовляются в едином технологическом цикле на поверхности одного полупроводникового кристалла и содержат до миллиона транзисторов, резисторов и конденсаторов. На поверхности кристалла кремния в нужных местах наращивают методом кристаллизации из паров слои полупроводника толщиной около 1 мкм с нужными типами примесей и металлические пленки. Окислением кремния при температуре около 1300 К создаются изолирующие пленки диоксида кремния толщиной около 0,1 мкм. На рис. 34.36 показан фрагмент микросхемы с одним транзистором. Линейные размеры транзистора около 1 мкм.

Фоторезистор

При освещении полупроводника происходит высвобождение в полупроводнике носителей тока (перебрасывание электронов из валентной зоны или с примесных уровней в зону проводимости). Это явление называется внутренним фотоэффектом, а дополнительная проводимость, обусловленная этим процессом, называется фотопроводимостью.

Явление фотопроводимости используется в фоторезисторах. Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, проводимость которого изменяется в зависимости от изменения падающего на него светового потока.

Принципиальная схема фоторезистора приведена на рис. 35.31. Изолирующая подложка 1 покрыта тонким слоем полупроводника 2, к которому прикреплены металлические электроды 3, обеспечивающие надежный контакт. Эти детали размещены в эбонитовой оправе с окошком.

Для защиты светочувствительной поверхности фоторезистора от вредного воздействия окружающей среды ее покрывают тонкой пленкой лака, прозрачного для области спектра, к которой чувствителен данный фоторезистор. В фоторезисторах применяют полупроводники с наиболее выраженным фотоэффектом, такие как сернистый кадмий CdS, сернистый свинец РbS, селен Sе и др.

В отличие от вакуумных фотоэлементов, фоторезисторы могут воспринимать не только излучение с большой энергией кванта (синее и ультрафиолетовое), но и красное и даже инфракрасное.

Чувствительность фоторезисторов на четыре порядка выше чувствительности вакуумного фотоэлемента. Это позволяет иногда использовать фоторезисторы в схемах автоматики без усиления (как в схеме, показанной на рис. 35.32). При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается и ток в цепи превышает порог срабатывания реле. При этом замыкается цепь исполнительного механизма. Высокая чувствительность фоторезисторов позволяет применять их для астрономических наблюдений, световых измерений и т. д.

Терморезистор

Электрическое сопротивление полупроводников, как уже отмечалось, в значительной степени зависит от температуры. На этом явлении основывается действие терморезисторов (термисторов). Терморезисторы изготовляют спеканием порошковых полупроводниковых материалов (преимущественно окислов металлов) в твердую компактную массу в форме нити, бруска, цилиндра, пластинки, бусинки. Образец окантовывают контактными колпачками или припаивают к нему контактные проводники. Затем терморезистор покрывают снаружи водостойкой эмалевой краской или герметизируют в металлическую капсулу. Условное графическое изображение терморезистора на схемах показано на рис. 35.33.

С повышением температуры от до сопротивление терморезистора уменьшается в тысячи раз. Это позволяет использовать терморезисторы в качестве датчиков температуры в цепях автоматического управления и температурной стабилизации.

Фотодиод

При освещении перехода фотонами с энергией , превышающей ширину запрещенной зоны , как в области, так и в области электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара носителей: электрон проводимости и дырка. Под действием электрического поля запирающего слоя дырки, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.34 движутся из области в область (они как бы всплывают подобно воздушным пузырькам в воде), а электроны – из области в область (они как бы скатываются по потенциальному склону). В переходе возникает ЭДС. Если теперь к и областям подключить внешнюю электрическую цепь, то в такой замкнутой цепи возникнет электрический ток. Таким образом, переход преобразует световую энергию в электрическую.

Прибор, в котором используется это явление, называется фотодиодом. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). На рис. 35.35 показано строение (а) фотодиода и схемы его включения в режиме фотогенератора (б) и фотопреобразователя (в). Как видим, в режиме фотопреобразователя напряжение источника питания прикладывается к фотодиоду в обратном направлении. Свет падает на тонкий слой области, фотодиод подключается к внешней цепи с сопротивлением нагрузки с помощью проводящих контактов 1 и 2. Контакт 1 представляет собой тончайшую, практически прозрачную пленку золота.

В режиме фотопреобразователя фотодиоды применяются для контроля источников света, измерения интенсивности освещения и др. Кремниевые фотодиоды в режиме фотогенератора дают ЕДС около 0,5 В при КПД около 15%. Фотодиоды в виде солнечных батарей используются на космических аппаратах, для питания калькуляторов и т. д.

Светодиод

Светодиоды – это излучающие полупроводниковые приборы с одним переходом, преобразующие электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Принцип действия светодиода состоит в том, что в некоторых полупроводниках при рекомбинации пары электрон–дырка в переходе испускается фотон. Рекомбинация не всегда сопровождается излучением. Так, в германиевых переходах электрическая энергия почти полностью превращается втепловую, т. е. происходит рекомбинация без излучения.

Светодиоды изготовляются из двойных и тройных полупроводниковых соединений. Диоды красного, желтого и зеленого свечения изготовляют на основе фосфида галлия, фиолетового свечения – на основе карбида кремния и т. д. Рекомбинация и излучение наблюдаются, если переход включен в прямом направлении (см. рис. 35.36).

Светодиод имеет малые габариты и массу, низкое потребление мощности, высокую стабильность и большой срок службы. Инерционность светодиодов мала, она составляет 10…100 нс. Светодиодам можно придать различную форму, а также размещать их на одном кристалле в виде черточек – сегментов. В этом случае, подавая питание на те или иные сегменты, можно получить любую цифру или букву. Такие светодиоды широко используются в световых табло, в калькуляторах для выведения цифровой и буквенной информации. КПД светодиодов может достигать нескольких процентов.