Если на электроды диода подать постоянное напряжение, соединив анод с положительным полюсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под действием возникшего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу полю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивление p-n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электрический ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению. В этом случае говорят, что к диоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток, а сам диод находится в открытом состоянии.  Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём – «-«). В результате область p-n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p-n перехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз. Диод переходит в закрытое состояние. В этом случае говорят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток.

Зависимость величины протекающего через диод тока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольтамперной характеристикой диода (рис. 3). Существование обратного тока объясняется тем, что технически невозможно изготовить полупроводники p- и n-типов, обладающих только дырочной или только электронной проводимостью. Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа и обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (полным отсутствием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совершенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся). Поскольку величина обратного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «прижата» к оси напряжений.

Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в бесконечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высокое прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p-n переход сильно нагревается и плавится - диод перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерно высокого обратного напряжения. В этом случае p-n переход, не выдерживая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойство односторонней проводимости диодом будет утеряно и он станет проводить ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характеризуется прежде всего двумя основными параметрами - максимально допустимым прямым током  и максимально допустимым обратным напряжением . Диоды различных марок обладают различными значениями  и . Обе эти характеристики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зависимость прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нелинейность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где величина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень медленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижении между электродами прямого напряжения определённой величины диод открывается и дальнейшая зависимость тока от напряжения становится практически линейной. Разные диоды обладают различной величиной открывающего напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо меньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открываться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напряжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении многих технических задач. Так, например, использование диода в качестве датчика температуры или для контроля величины переменного тока желательно использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо избавиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевый диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды вполне взаимозаменяемы.

Способность диода проводить электрический ток характеризуется величиной электрического сопротивления p-n перехода, которое называется внутренним сопротивлением диода. Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни раз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значительно меньше прямого тока. Математически зависимость  может быть в первом приближении описана выражением (1). Однако, при более детальном рассмотрении вопроса необходимо учитывать ряд обстоятельств, связанных, прежде всего, с наличием двух контактов на границе полупроводник-металлический электрод. Как известно, при контакте двух тел, обладающих различной работой выхода, в месте их контакта возникает перетекание электронов так, что тело с меньшей работой выхода электронов заряжается положительно, а тело с большей работой выхода – отрицательно. В результате на границе металл-полупроводник возникает, так называемый, двойной электрический слой или запирающий слой и, следовательно, потенциальный барьер (помимо того потенциального барьера, который порождается самим p-n-переходом). Возникающая при этом в месте контакта разность потенциалов называется контактной разностью потенциалов. Образовавшиеся при этом заряды располагаются не строго на поверхности контактирующих тел (как это принято считать в электростатике), а распределены в пограничных слоях некоторой толщины. В металлах из-за большой плотности электронов в них, заряд сосредоточен почти точно на поверхности (в пределах одного-двух атомных слоёв), а в полупроводниках вследствие их малой проводимости он простирается на значительно большую глубину.

Наличие потенциального барьера на границе металл-полупроводник способен несколько изменить характер зависимости , что вынуждает переписать формулу (1) в виде:

,         (2)

где  - коэффициент, зависящий от строения запирающего слоя. При комнатной температуре для однородного тонкого слоя =1.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Диод

В основе принципа выпрямления напряжения лежит свойство полупроводникового диода проводить электрический ток только в одном направлении. Схематично полупроводниковый диод может быть представлен в виде двух сваренных между собой пластинок p- и n-типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из них расположены по краям, они относительно больших размеров и обладают одна проводимостью p-типа, а вторая - проводимостью n-типа. Третья зона называется p-n переходом и представляет собой очень узкую область, разделяющую области с p- и n-типами проводимости (она образуется на стадии изготовления диода в результате диффузии пластинок полупроводника с различными типами проводимости). Внешние поверхности областей с p- и n-типами проводимости покрывают металлическими пластинками, к которым припаивают электроды. Электрод, контактирующий с областью p-типа, называется анодом, а контактирующий с областью n-типа - катодом.

Диод может находиться в одном из двух состояний - открытом или закрытом. Если на электроды подать постоянное напряжение, соединив анод с положительным полюсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под действием возникшего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу полю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивление p-n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электрический ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению. В этом случае говорят, что к диоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток, а сам диод находится в открытом состоянии.  Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём «-«). В результате область p-n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p-n перехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз. Диод переходит в закрытое состояние. В этом случае говорят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток.

Наличие обратного тока является недостатком полупроводникового диода. Существование этого тока объясняется тем, что технически невозможно изготовить полупроводники p- и n-типов, обладающих только дырочной или только электронной проводимостью. Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа и обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (полным отсутствием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совершенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся).

Способность диода проводить электрический ток характеризуется величиной электрического сопротивления p-n перехода, которое называется внутренним сопротивлением диода. Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни раз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значительно меньше прямого тока. Зависимость величины протекающего через диод тока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода (рис. 2). Поскольку величина обратного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «прижата» к оси напряжений.

Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в бесконечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высокое прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p-n переход сильно нагревается и плавится - диод перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерно высокого обратного напряжения. В этом случае p-n переход, не выдерживая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойство односторонней проводимости диодом будет утеряно и он станет проводить ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характеризуется прежде всего двумя основными параметрами - максимально допустимым прямым током  и максимально допустимым обратным напряжением . Диоды различных марок обладают различными значениями  и . Обе эти характеристики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зависимость прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нелинейность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где величина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень медленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижении между электродами прямого напряжения определённой величины диод открывается и дальнейшая зависимость тока от напряжения становится практически линейной. Разные диоды обладают различной величиной открывающего напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо меньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открываться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напряжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении многих технических задач. Так, например, использование диода в качестве датчика температуры или для контроля величины переменного тока желательно использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо избавиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевый диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды вполне взаимозаменяемы.

Стабилитрон

Стабилитрон представляет собой разновидность диода и способен выполнять его функции. Однако обратная ветвь ВАХ стабилитрона значительно отличается от аналогичного участка этой характеристики диода. По мере роста обратного напряжения ток в обратном направлении через стабилитрон сначала изменяется очень медленно (как у диода), а при достижении обратным напряжением определённой величины, резко возрастает. Ситуация очень похожа на пробой обычного диода, но из строя стабилитрон при этом не выходит (если обратный ток не превышает допустимой величины). Напряжение, начиная с которого стабилитрон входит в режим пробоя, называется напряжением стабилизации , а соответствующий ему ток минимальным током стабилизации . Предельно допустимый для данного стабилитрона ток стабилизации называется максимальным током стабилизации . Из рисунке 4 видно, что незначительное изменение напряжения  ведёт к довольно существенному изменению обратного тока  через стабилитрон. Отношение этих величин называется дифференциальным сопротивлением стабилитрона и является очень важной его характеристикой. Величина дифференциального сопротивления является функцией обратного тока стабилитрона. Чем больше этот ток, тем меньше дифференциальное сопротивление, а значит, согласно закону Ома, тем меньше изменение напряжения на электродах стабилитрона.

Подробнее работу стабилитрона рассмотрим на примере схемы, изображённой на рис. 5. Эта схема представляет собой простейший параметрический стабилизатор напряжения. Состоит он из стабилитрона и балластного сопротивления, выполняющего роль ограничителя обратного тока через стабилитрон (во избежании перегрева). На вход стабилизатора подаётся постоянное напряжение  от внешнего источника питания. Нагрузка стабилизатора подключается непосредственно к электродам стабилитрона. В задачу этого устройства входит поддержание такого режима питания нагрузки, чтобы даже при значительном изменении входного напряжения , изменение напряжения на нагрузке не превышало очень малой величины .

Если входное напряжение  по какой-либо причине возрастёт на величину , то и обратный через стабилитрон ток возрастёт на некоторую величину . Это вызовет уменьшение дифференциального сопротивления стабилитрона на величину . Уменьшение же сопротивления приведёт к уменьшению напряжения на электродах стабилитрона, а, значит, и на нагрузке. В результате питаемое нагрузку напряжение останется равным .

Транзистор

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, способный работать в ключевом или усилительном режимах. В отличии от диода, транзистор имеет два p-n-перехода, между которыми располагается полупроводник, например, p-типа, а по обе стороны от p-n-переходов – кристаллы полупроводника n-типа. Такие транзисторы называются транзисторами n-p-n типа (рис. 6. а.). Если между p-n-переходами располагается полупроводник n-типа, а по обе стороны от p-n- переходов – полупроводники p-типа, то такой транзистор называют транзистором p-n-p типа (рис. 6. б.). Центральная область транзистора называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором. В функции эмиттера входит вводить (эмитировать) в базу дырки (в транзисторе p-n-p типа) или электроны (в транзисторе n-p-n типа), а функции коллектора – собирать эти заряды. Графическое обозначение транзисторов разной структуры показано на рисунке 7.

Легко заметить, что такая комбинация полупроводников напоминает два диода с общим анодом (n-p-n) или катодом (p-n-p). Такая аналогия вполне справедлива и на практике позволяет легко тестировать транзистор на предмет его работоспособности при помощи обычного омметра.

Рассмотрим в общих чертах работу транзистора p-n-p типа. Пусть сначала цепь эмиттер-база разомкнута, а между коллектором и базой приложено обратное напряжение  порядка десяти вольт. В этом случае p-n-переход окажется запертым, и в коллекторной цепи будет протекать обратный ток  незначительной величины, являющийся важной характеристикой транзистора.

Теперь между эмиттером и базой приложим прямое напряжение  порядка единиц вольт. Поскольку эмиттер содержит значительно больше атомов примеси, чем база, то концентрация дырок в эмиттере больше, чем в базе. Так как напряжение  приложено к p-n-переходу в прямом направлении, то в цепи эмиттер-база протекает ток значительной величины даже при небольшом значении приложенного напряжения. В базе некоторая часть дырок рекомбинирует со свободными электронами, убыль которых пополняется новыми электронами, поступающими из внешней цепи, образуя в ней ток базы . В базе вследствие диффузии большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и под действием электрического поля источника  проникает через p-n-переход в коллектор. В результате в цепи база-коллектор возникает ток  того же порядка, что и на участке эмиттер-база. Отношение приращения коллекторного тока  к соответствующей величине приращения эмиттерного тока  при постоянном напряжении на коллекторе называется коэффициентом передачи тока:

Страницы: 1, 2, 3