10. Основы электроники

Общие сведения о полупроводниковых приборах

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.

Химически чистый кристалл полупроводникового вещества находится в электрическом равновесии. Если же в него ввести небольшое количество посторонней примеси, положение резко меняется. Так, если в четырехвалентный германий ввести добавку пятивалентной сурьмы, то сурьма отдаст свой электрон с внешней оболочки, становясь положительным ионом, а в кристалле создается избыток электронов. Такая система имеет электронную проводимость (n-проводимость). Вещество, придающее системе n-проводимость, называется донором.

Если к тому же нейтральному германию добавить трехвалентный индий, то он стремится забрать себе четвертый электрон от окружающих атомов германия, создавая у них недостаток электронов или “дырки”. Сам же индий становится отрицательным ионом. Такие системы называются системами с p-проводимостью. Вещества, создающие p-проводимость, называются акцепторами.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен и сложные полупроводниковые материалы – арсенид галлия, фосфид галлия и др.

В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала, и они не проводят электрический ток.

Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной или дырочной, чистые полупроводники легируют, то есть вводят определенные примеси.

Полупроводниковые приборы подразделяются на полупроводниковые резисторы, полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, диодные (динисторы) и триодные (тринисторы) тиристоры, полупроводниковые фотоэлектрические приборы.

Полупроводниковые диоды

Е сли присоединить вещество с p-проводимостью к веществу с n-проводимостью, то под действием электростатических сил электроны вещества с n-проводимостью будут отталкиваться от отрицательных ионов вещества с p-проводимостью, а дырки вещества с p - проводимостью – от положительных ионов вещества с n-проводимостью.

Таким образом, на границе двух веществ образуется потенциальный барьер по отношению к электронам со стороны вещества с n-проводимостью и по отношению к дыркам со стороны вещества с p-проводимостью. Сам пограничный слой – электрически нейтрален, т.е. суммарный заряд равен нулю.

Е сли же к веществу с n-проводимостью подключить отрицательный полюс источника питания, а к веществу с p-проводимостью подключить положительный полюс, то электроны под действием отталкивающих сил отрицательного полюса будут перемещаться в сторону положительного полюса, преодолевая сравнительно небольшой потенциальный барьер. Недостаток электронов в n-части восполнится источником питания. В системе, называемой полупроводниковым диодом , протекает ток, и такая полярность называется прямой ( ), а ток – прямым током ( ). Если изменить полярность источника питания, то система оказывается под обратным напряжением ( ). При этом электроны участка с n-проводимостью перемещаются к положительному полюсу, а “дырки” – к отрицательному. Таким образом, через пограничный слой основные носители зарядов не проходят и диод закрыт. Некоторый обратный ток I_обр возникает за счет того, что “дырки”, имеющиеся в n-области, и электроны, имеющиеся в p-области и не являющиеся там основными носителями зарядов, проходят навстречу друг другу через запирающий слой. Но если обратное напряжение превысит максимальное обратное напряжение, то происходит лавинный пробой пограничного слоя (U пробоя) и обратный ток резко возрастает. Это вызывает разогрев диода, происходит тепловой пробой и разрушение p-n перехода. Полупроводниковый прибор выходит из строя.

У часток OA вольт-амперной характеристики – включение диода в прямом направлении: источника подключен к “p”-полупроводнику, источника - к “n”-полупроводнику.

Участок OB – включение диода в обратном направлении.

Рис. 10.1. Вольт - амперная характеристика диода

Классификация полупроводниковых диодов

Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Магнитодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.

Тензодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием механических деформаций.

Благодаря свойству односторонней проводимости диоды используются для выпрямления переменного тока.

Схема однополупериодного выпрямления

Простейшей схема однополупериодного выпрямления, содержит один диод, включенный последовательно с приемником постоянного тока (рис.10.2). Диод пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды входного синусоидального напряжения (рис.10.3). Тогда соблюдаются условия прямой полярности включения, то есть (+) подключен к (р), а (-) к (n). При обратной полярности диод закрыт, небольшой обратный ток, протекающий через диод, обусловлен движением неосновных носителей заряда.

Рис. 10.2 Рис. 10.3

Выпрямленное данной схемой напряжение является пульсирующим с высоким коэффициентом пульсации, снижение которого может быть получено за счет применения более совершенных схем выпрямления и сглаживающих фильтров (рис.10.4, а, б, в).

Рис. 10.4 Варианты схем сглаживающих фильтров

В качестве сглаживающих фильтров используют конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, или индуктивные катушки, включаемые последовательно с нагрузкой. Более сложные фильтры представляют собой сочетания перечисленных схем. При использовании в качестве фильтра конденсатора, он сначала накапливает электрическую энергию, заряжаясь до амплитудного значения напряжения сети, а при снижении напряжения отдает энергию в нагрузку, поддерживая величину выпрямленного напряжения. Уменьшить коэффициент пульсации можно также с помощью однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.10.5).

Рис. 10.5

Данная схема позволяет выпрямить обе полуволны синусоиды, при этом в каждом полупериоде диоды, включенные в мост, работают попарно (В₁-В₂; В₃-В₄). На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака.

Биполярные и полевые транзисторы

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности. Транзисторы подразделяются на группы по диапазонам используемых частот и мощностей.

Структура биполярных транзисторов

Средний слой транзистора называется базой (Б). Наружный слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора – эмиттером (Э), другой наружный слой – коллектором (К). Он принимает носителей заряда, поступающих от эмиттера.

Работа p-n-p транзистора

Подключим внешний источник ЭДС Е₁ к крайним областям: к эмиттеру; к коллектору, источник Е₂ к эмиттеру и базе

На переход эмиттер-база напряжение U_бэ подается в прямом направлении, на переход коллектор-база напряжение U_кб подается в обратном направлении. Оно обычно в несколько раз больше напряжения между эмиттером и базой.

При наличии источника (отрицательного напряжения на базе) по переходу эмиттер-база идет ток I_б, пропорциональный приложенному напряжению U_бэ. “Дырки” из эмиттера начинают переходить в базу. Но база выполняется очень тонкой, так, что площадь p-n перехода намного больше поверхности , с которой отводятся “дырки”.

Повышенная концентрация “дырок” у отводящего электрода создает объемный отталкивающий заряд и большинство “дырок” начинает переходить через n-p переход в коллектор под действием отрицательного напряжения U_бэ, образуя коллекторный ток . Меняя величину напряжения U_бэ можно изменять коллекторный ток.

Различают три схемы включения транзисторов:

а) с общей базой;

б) с общим эмиттером (общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер) (рис. 10.6);

в) с общим коллектором.

Рис. 10.6

Зависимость между током базы и напряжением между базой и эмиттером U_бэ во входной цепи транзистора называют входной (рис. 10.7, а) или базовой характеристикой транзистора I_б = f(U_бэ).

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы называют семейством выходных коллекторных характеристик (рис. 10.7, б) транзистора I_к = f(Uкэ) при I_б = const. (см. графики)

Рис. 10.7. Примеры входной (а) и выходной (б) характеристик транзистора n-p-n типа

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов, преобразователей, а также в логических и импульсных устройствах.

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Каналом называют центральную область транзистора.

Исток (И) – это электрод, из которого в канал входят основные носители заряда. Сток (С) – это электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (З).

Условное обозначение полевого транзистора

Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами. Он подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью небольшого управляющего тока. Условное обозначение триодного тиристора (тринистора) в схемах (А – анод; К – катод;

УЭ – управляющий электрод).

Рис. 10.8. Структурная схема триодного тиристора:

1, 2, 3 – выводы катода, управляющего электрода и анода

Триодный тиристор (рис. 10.8) можно включать за счёт повышения питающего напряжения , когда оно достигнет значения напряжения включения , без подачи тока на управляющий электрод ( ). При подаче тока управления на управляющий электрод напряжение включения уменьшается. При этом вольт-амперные характеристики тиристора (рис 10.9) смещаются влево.

Рис. 10.9. Вольт-амперные характеристики тиристоров

Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Их широко используют в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный) преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводами.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других параметров.

В соответствии с классификацией две группы полупроводниковых резисторов – линейные резисторы и нелинейные резисторы (варисторы) – имеют электрические характеристики, слабо зависящие от таких параметров, как температура окружающей среды, вибрация, влажность, освещенность и т.д. Для остальных групп полупроводниковых резисторов характерна существенная зависимость электрических характеристик от этих параметров, поэтому их широко используют в качестве первичных преобразователей неэлектрических величин в электрические. Электрические характеристики терморезисторов сильно зависят от температуры, фоторезисторов – от освещенности, тензорезисторов – от механических напряжений.

Линейный резистор – полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов. Полупроводниковые линейные резисторы широко применяют в интегральных микросхемах.

Варистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольт-амперная характеристика нелинейна (чем больше напряжение, тем меньше сопротивление). Полупроводниковым материалом для изготовления варисторов служит карбид кремния.

Терморезистор – полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого с ростом температуры падает, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает.

Фоторезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности.

Тензорезистор – полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций.

Фотоэлектрические приборы

Фотоэлектрическим (фотоэлектронным) прибором называют преобразователь энергии оптического излучения в электрическую.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения. Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект - возбуждение электронов вещества, т.е. переход их на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, в результате чего изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.

Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания Э.Д.С. в неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и других полупроводниковых фотоэлектрических приборах.

Внешний фотоэффект - фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения. Фотоэлектронная эмиссия может происходить в любом веществе. Внешний фотоэффект используют в вакуумных и газоразрядных фотоэлементах, а также в фотоэлектронных умножителях.

Фоторезисторы

Фоторезистором (рис.10.10) называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление изменения электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения.

1 – пластина из полупроводникового материала;

2 – подложка из непроводящего материала

В качестве электродов используют металлы, образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания E_а (рис. 10.10, б), то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют фототоком.

Для фоторезистора одной из основных является зависимость фототока от потока излучения. При малых значениях светового потока характеристику можно считать линейной, а при больших – фототок не пропорционален световому потоку.

Фототок зависит также от спектрального состава потока.

Достоинствами фоторезисторов являются высокая чувствительность и возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, однако значения их параметров существенно зависят от температуры и обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора.

Полупроводниковые индикаторы (светодиоды)

Принцип действия полупроводниковых индикаторов, к которым относится светодиод, основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области p-n-перехода, к которому приложено прямое напряжение. Светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области p-n-перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет излучения определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения. Обозначение светодиодов на принципиальных электросхемах:

Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, имеющий один электронно-дырочный переход и два вывода. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Обозначение фотодиодов на принципиальных электросхемах:

.

В первом режиме используется фотогальванический эффект - разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фото-Э.Д.С.) при освещении неоднородного полупроводника. Фотодиоды, как и обычные полупроводниковые диоды, состоят из двух примесных полупроводников с различными типами электропроводности, на границе между которыми создается p-n-переход. В отсутствии освещения и внешнего источника электрической энергии в области p-n-перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда - положительными ионами в n-области и отрицательными ионами в p- области.

При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), т.е. дырок и электронов. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-Э.Д.С. Предельно возможное значение фото-Э.Д.С. составляет десятые доли вольт.

Если замкнуть зажимы в режиме фотодиода через резистор, то в электрической цепи появится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, значение которого зависит от фото-Э.Д.С. и сопротивления резистора.

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей.

Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении.

Спектральные и частотные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры.

Усилителем называют устройство, которое позволяет увеличивать без искажения мощность слабого сигнала за счет дополнительного источника энергии, питающего усилитель.

Свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению К_u называют отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Генератором называют автоколебательную систему, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Форма колебаний определяется спектром генерируемых частот. Генераторы синусоидальных колебаний выполняют двух типов:

LC – генератор или RC – генератор. В основе LC - генератора лежит колебательный контур, с его помощью получают синусоидальные колебания в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц.

Логические элементы

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации - вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения. Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

1) логическое сложение (дизъюнкцию), или операцию ИЛИ, обозначаемую знаками “+” или “ ” :

;

2) логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками “ ”, “ ” или написанием переменных рядом без знаков разделения:

;

3) логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменой:

.

Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеет следующий вид:

Операция ИЛИ	Операция И	Операция НЕ

Логическая операция ЗАПРЕТ символически записывается в виде

.

а б в г д е

Рис. 10.11. Условные обозначения основных логических элементов

Логические элементы (рис. 10.11), реализующие операцию ИЛИ, называют элементами ИЛИ. Выходной сигнал F элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из n входов подан сигнал “1”.

Логические элементы, реализующие операцию И, называют элементами И либо схемами совпадения. Выходной сигнал F элемента И равен единице, если одновременно на все n входов подан сигнал “1”.

Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции, например элементы И-НЕ.

Интегральные микросхемы

В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем. В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.