Тема 2.1 Електронні пристрої

1)Напівпровідникові пристрої

2)Біполярні та польові транзистори

3)Тиристори, конденсатори

1) Клас. напівпровідникових приладів багатоманітний і включає такі прилади, як діоди (випрямні стабілітрони, варікапи, фото- і світлодіоди), тиристори, транзистори (біполярні, польові), інтегральні мікросхеми і пристрої відображення інформації (дисплеї), знакосинтезуючі і мнемонічні індикатори. Напівпровідниковий діод (вентиль) є контактним з'єднанням двох напівпровідників, один з яких з електронною провідністю (n-типу), а інший — з дірчастою (р-типу, Рисунок.1.49 а). В результаті великої концентрації електронів в напівпровіднику п вони будуть дифозувати з першого напівпровідника в другий. Аналогічно відбуватиметься дифузія дірок з другого р-типу напівпровідника в, перший n- типу. У тонкому прикордонному шарі напівпровідника n-типу виникає позитивний заряд, а в прикордонному шарі напівпровідника р-типу — негативний заряд. Між цими шарами виникає різниця потенціалів (потенційний бар'єр) і утворюється електричне поле напруженістю Еп, яка перешкоджає дифузії електронів і дірок з одного напівпровідника в іншій. Таким чином, на межі двох напівпровідників виникає тонкий шар, збіднений носіями зарядів (електронів і дірок) і володіючий великим опором. Цей шар називається замикаючим або р-n-переходом.

Рисунок. Напівпровідниковий вентиль:

а— схема пристрою; б — схема включення у зворотному напрямі; у — схема включення в прямому напрямі

Унаслідок теплового руху в електричне поле р-n-переходу потрапляють неосновні носії зарядів (електрони з р-області і дірки з n-області). Рух неосновних носіїв зарядів під дією сил поля р-n-переходу направлений стрічно дифузійному струму основних носіїв і називається дрейфовим або тепловим струмом, залежним в сильному ступені від температури. За відсутності зовнішнього електричного поля дрейфовий струм врівноважується дифузійним і сумарний струм через р-n-перехід рівний нулю.

Таким чином, напівпровідниковий діод володіє односторонньою провідністю, тобто є електричним вентилем.

«

Рисунок.1.50. Вольт-амперна характеристика германієвого вентиля і

його умовне позначення

У точкового германієвого діода (Рисунок.1.51 а) поміщений кристал германію (5) з електронною провідністю, в який вістрям входить контактний пружинячий висновок анода (3). Під контактним вістрям в результаті спеціальної термічної обробки створюється область з дірчастою провідністю. У площинному германієвому діоді (Рисунок.1.51 би) на пластину германію (5) з електронною провідністю накладається пігулка з індія, яка в процесі виготовлення діода нагрівається до 500° З і плавиться так, що її атоми диффундуються в германій, утворюючи область з дірчастою провідністю. На межі двох областей (з електронною і дірчастою провідністю) з'являється замикаючий р-n-перехід. Як у точковому, так і в площинному діоді германій (5) припоєм (4) укріплений на кристалодержачами (6), до якого приварений вивід катода (нижній) (7). Висновок анода (3) також припоєм (4) зміцнюється в

Рисунок.1.51. Конструкція германієвого діода: а — точкового; б — площинного

області з дірчастою провідністю і виводиться назовні у верхній частині діода. Металевий корпус (2) зварений з кристаллодержачем (6) і скляним ізолятором (7).

Кремнієві діоди відрізняються від германієвих не тільки матеріалом напівпровідника, але і деякими перевагами, а саме: вищою граничною температурою, значно меншим зворотним струмом, вищою пробивною напругою. Проте опір кремнієвого вентиля в прямому напрямі значно більше, ніж германієвого.

Мідно-закисні вентилі мають низькі зворотні напруги (10 В) і густину струму (0,1 А/см2) і в преобразовательных пристроях не використовуються. Їх застосування обмежене вимірювальними приладами, що мають стабільну характеристику.

2) Біполярні та польові транзит

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

У велику «сім'ю» напівпровідникових приладів, званих транзисторами, входять два види: біполярні і польові. Перші з них, щоб якось відрізнити їх від других, часто називають звичними транзисторами. Біполярні транзистори використовуються найбільш ширше.

Термін «транзистор» утворений з двох англійських слів: transfer — перетворювач і resistor — опір. У спрощеному вигляді біполярний транзистор є пластиною напівпровідника з трьома (як в листковому пирогу) областями різної, що чергуються

Рисунок.1.52. Схематичний пристрій і графічне зображення на схемах транзисторів структури р-п-р і п-р-п

електропровідності (Рисунок.1.52), які утворюють два р-п переходи. Дві крайні області володіють електропровідністю одного типу, середня — електропровідністю іншого типу. Транзистор можна уявити собі як два площинні діоди з однією загальною областю, включених назустріч один одному. Загальну (середню) область транзистора називають базою, одну крайню область— емітером, другу крайню область — колектором. Це три електроди транзистора. Під час роботи транзистора його емітер вводить (емітує) в базу дірки (у транзисторі структури р-п-р) або електрони (у транзисторі структури n-р-n), колектор збирає ці електричні заряди, що вводяться в базу емітером. Відмінність в позначеннях транзисторів різних структур на схемах полягає лише у напрямі стрілки емітера: у транзисторах вона обернута у бік бази, а в р-п-р транзисторах — від бази.

Найменування р-п переходів транзистора: між колектором і базою — колекторний, між емітером і базою — емітерний.

Рисунок.1.53. Пристрій і конструкція сплавного транзистора структури р-n-p

Рисунок.1.54. Принцип роботи і умовне позначення транзистора:

а — п-р-п; б — р-п-р

Можливі три схеми включення транзисторів п-р-п-типу (Рисунок.1.55 а) is. р-л-р-типа (Рисунок.1.55 би): із загальною базою Про, із загальним емітером ЗЕ і із загальним колектором ЗК. Назва схеми показує, який електрод транзистора є загальним для вхідного і вихідного ланцюгів. Схеми включення транзисторів відрізняються своїми властивостями, але принцип посилення коливань залишається однаковим.

Біполярні транзистори виконуються з германію і кремнію.

В даний час діє система позначення транзисторів, по якій прилади, що випускаються серійно, мають позначення, що складаються з чотирьох елементів, наприклад: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И. Перший елемент цієї

Рисунок.1.55. Схеми включення із загальною базою, загальним емітером,

загальним колектором транзисторів: а — п-р-п; б — р-п-р

0

Рисунок.1.56. Зовнішній вигляд деяких транзисторів

системи позначення — буква Г, До або А (або цифра 1, 2 і 3) — характеризує напівпровідниковий матеріал транзистора і температурні умови роботи приладу. Буква Г (або цифра 1) привласнюється германієвим транзисторам, буква До (або цифра 2) — кремнієвим транзисторам, буква А (або цифра 3) — транзисторам, напівпровідниковим матеріалом яких служить арсенід галію. Цифра, що стоїть замість букви, указує на те, що даний транзистор може працювати при підвищених температурах (германієвий — вищий +60°С, кремнієвий— вищий +85°С).

Другий елемент — буква Т — початкова буква слова «транзистор».

Третій елемент — тризначне число від 101 до 999 — указує порядковий номер розробки і призначення приладу.

Четвертої елемент позначення — буква, вказуюча різновид транзисторів даної серії.

Транзистори в порівнянні з електронними лампами володіють наступними перевагами: відсутній ланцюг напруження і, отже, спрощується схема і немає споживання потужності для розігрівання катода, мають велику механічну міцність і довговічність, постійну готовність до роботи, малі габарити і масу, низьку напругу живлення і високий ККД.

До недоліків транзисторів відноситься залежність їх режиму роботи від температури навколишнього середовища, невелика вихідна потужність, чутливість до перевантажень, розкид параметрів, унаслідок чого окремі транзистори одного типу значно відрізняються між собою по своїх параметрах, значна відмінність між вхідними і вихідними опорами.

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

У цьому напівпровідниковому приладі управління робочим струмом здійснюється не струмом у вхідному (базової) ланцюзі, як в біполярному транзисторі, а дією на носії струму електричного поля. Звідси і назва транзистора «польовою».

Схематичний пристрій і конструкція польового транзистора з р-п переходом показані на Рисунок.1.58. Основою такого транзистора служить пластина кремнію з електропровідністю типу п, в якій є тонка область з електропровідністю типу р. Пластину приладу називають затвором, а область типу р в ній — каналом. З одного боку канал закінчується витоком, з іншою стоком — теж областю типу р, але з підвищеною концентрацією дірок. Між затвором і каналом створюється р-п перехід. Від затвора, витоку і стоку зроблені контактні висновки.

Якщо до витоку підключити позитивний, а до стоку — негативний полюси батареї живлення (на Рисунок.1.58 — батарея GB), то в каналі з'явиться струм, що створюється рухом дірок від витоку до стоку. Цей струм, званий струмом стоку /с, залежить не тільки від напруги цієї батареї, але і від напруги, діючої між джерелом і затвором (на Рисунок.1.58 — елемент G). І ось чому. Коли на затворі щодо витоку діє позитивна закриваюча напруга, збіднена область р-п переходу розширяється (на Рисунок.1.58 показано штриховими лініями). Від цього канал звужується, його опір збільшується,

Рисунок.1.58. Схематичний пристрій, графічне зображення і конструкція польового транзистора з каналом типа/?

через що струм стоку зменшується. Із зменшенням позитивної напруги на затворі збіднена область р-п переходу, навпаки, звужується, канал розширяється, і струм знову збільшується. Якщо на затвор разом з позитивною напругою зсуву подавати низькочастотний або високочастотний сигнал, в ланцюзі стоку виникне пульсуючий струм, а на навантаженні, включеному в цей ланцюг, — напруга посиленого сигналу.

Так, в спрощеному вигляді влаштовані і працюють польові транзистори з каналом типу р, наприклад транзистори КП102, КШОЗ (букви До і П означають «кремнієвий польовий»).

Польовий транзистор — теж трьохелектронний прилад. Тому його, як і біполярний транзистор, включати в підсилювальний каскад можна трьома способами: по схемі загального стоку (ЗС), по схемі загального витоку (ЗВ) і по схемі загального затвора (З3). У практиці радіоаматорства застосовують в основному тільки перші два способи включення, дозволяючі з найбільшою ефективністю використовувати польові транзистори.

Підсилювальний каскад на польовому транзисторі володіє дуже великим, обчислюваним мегаомами, вхідним опором. Це дозволяє подавати на його вхід високочастотні і низькочастотні сигнали від джерел з великим внутрішнім опором, наприклад від п`єзокерамічного звукознімача, не побоюючись спотворення або погіршення посилення вхідного сигналу. У цьому головна перевага польових транзисторів в порівнянні з біполярними.

Особливістю польових транзисторів є наявність у них термостабільної крапки, тобто крапки, в якій струм стоку практично незмінний при різних температурах. З підвищенням температури питома провідність каналу зменшується через зниження рухливості носіїв зарядів. Одночасно скорочується ширина р-n-перехода, розширяється провідний перетин каналу і збільшується струм Ic , Ці два протилежні процеси при певному виборі робочої крапки можуть взаємно компенсуватися.

3) Чотиришаровий кремнієвий вентиль, що має два електроди (анод і катод), називається діністором. Якщо окрім анода і катода є третій (керівник) електрод, то вентиль стає керованим і називається тиристором. Тиристор, а також діністор виконують чотиришаровими: р-п-р-п (Рисунок.1.59). Середня область/? тиристора має висновок — управляючий електрод у. При відключеному управляючому електроді тиристор перетворюється в діністор.

Рисунок.1.59. Схема пристрою тиристора

Якщо між анодом і катодом вентиля буде прикладена невелика постійна напруга в прямому напрямі, то переходи П1 і ПЗ виявляться відкритими і їх опір мало. Перехід П2 буде включений у зворотному напрямі і його опір великий, так що вся прикладена до тиристора напруга буде практично на переході П2, а струм в ланцюзі малий. При підвищенні напруги П2 на тиристорі струм в ланцюзі збільшується трохи, оскільки обмежується великим опором переходу П2, і вольт-амперна характеристика тиристора буде подібна зворотній гілці характеристики діода (крива Оа на Рисунок.1.60.) Якщо напруга досягне деякого певного значення, званого напругою

Рисунок.1.60. Вольт-амперна характеристика тиристора

перемикання Un, то в переході П2 напруженість електричного поля стає достатньою для іонізації і утворення нових вільних носіїв зарядів (електронів і дірок), його опір різко зменшується і тиристор відкривається. Напруга на відкритому тиристорі (ділянка бв вольт-амперної характеристики) мало (порядку 1-2В) і майже незмінна, так що струм в ланцюзі обмежується опором зовнішнього навантаження.

Найбільший струм тиристора лімітується гранично допустимою потужністю, розсіюваною їм. Якщо зменшити струм через відкритий тиристор, то він залишатиметься відкритим до тих пір, поки струм тиристора достатній для підтримки процесу утворення носіїв зарядів в переході П2. При струмі, меншому певного значення, незалежним струмом утримання 1уд, тиристор закривається, тобто повертається в непровідний стан.

Якщо на управляючий електрод подати позитивний потенціал від стороннього джерела, то в переході П2 виникне струм управління і з'являться додаткові носії зарядів, унаслідок чого зменшиться напруга перемикання цього переходу і тиристор відкриється при меншій напрузі Un1. Чим більше струм управління 1у, тим більше за додаткові заряди в переході П2 і менше напруга перемикання тиристора. При певному значенні струму управління 1ус тиристорів працюватиме як некерований вентиль, тобто буде відкритий при будь-якій позитивній напрузі на його аноді. Таким чином, тиристор відкривається як при подачі на його анод напруги перемикання, так і при включенні струму управління достатнього значення 1ус. Оскільки управляючий електрод після відкриття тиристора перестає робити вплив на його роботу, то в ланцюзі управляючого електроду проходить короткочасний імпульс струму прямокутної форми і тривалістю приблизно 10 мкс.

При подачі на затиски тиристора зворотної напруги Uобр він буде закритий назад включеними переходами П1 і ПЗ незалежно від управляючого струму і його вольт-амперна характеристика практично не відрізняється від зворотної гілки вольт-амперної характеристики некерованого вентиля.

Тиристори мають два стійкі стани: при закритому тиристорі його опір дуже великий (R~oo), при відкритому— мало (R-0). Тому тиристори знаходять застосування як безконтактні перемикачі в інвертуваннях, регульованих випрямлячах, в схемах захисту і т.д. Конструкція потужнього тиристора показана на Рисунок.1.61. Чотирьохшарова кристалічна

структура (4), укріплена на кристалотримачі (3), поміщена в рис. 1.61. Конструкція металевому корпусі (2), в могутнього тиристора нижньої частини якого знаходиться різьбовий вивід катода (1). До верхнього р-шару припоєм (5) кріпиться плетений висновок анода (7). У середню р-область вводиться висновок управляючого електроду (8). Висновки анода і управляючого електроду закріплюють в корпусі ізолятором (6).

Схематичне позначення керованого тиристора зображено на Рисунок.1.62.

Лекція