Основные результаты 3 главы

Электропроводность чистых полупроводников при нормальной (комнатной) температуре практически равна нулю. Существенно увеличить ее можно за счет введения ничтожно малых относительных объемов примеси. В беспримесном полупроводнике свободные носители генерируются парами электрон-дырка. В примесных полупроводниках превалируют свободные носители одного типа: электроны (в полупроводнике п-типа), дырки (в полупроводнике р-типа). При некоторой температуре, называемой критической, примесный полупроводник вырождается в собственный (беспримесный). Критическая температура ограничивает верхний потолок температуры, при которой полупроводниковые элементы сохраняют свои функциональные возможности.

Кроме воздействия температуры (терморезисторы), электропроводность полупроводника можно увеличить за счет воздействия оптического излучения (фоторезисторы), механического напряжения (тензорезисторы) и электрического поля высокой напряженности (варисторы).

терморезистор

тензорезистор

фоторезистор

диод

фотодиод

светодиод

стабилитрон

варикап

диод на основе

перехода Шоттки

варистор

Рис. 3.22. Примеры условных графических изображений электронных элементов

Технологическая граница двух разнотипных полупроводников - р-п-переход - обладает ярко выраженным свойством односторонней проводимости, на основе которого строятся нелинейные электронные элементы - диоды. Зарядная емкость р-п-перехода может использоваться как электрически управляемая емкость - варикап. Р-п-переход под воздействием оптического излучения может менять свое сопротивление при обратном включении, что позволяет использовать его в качестве оптически управляемого элемента - фотодиода.

С другой стороны, при протекании через р-п-переход прямого тока при рекомбинации носителей возможно преобразование выделяющейся при этом энергии в световой поток. Такие элементы называются светодиодами.

На разомкнутых концах фотодиода при его освещении появляется разность потенциалов - фото-ЭДС, и такой фотодиод можно использовать как источник электрической энергии.

Практически линейная зависимость напряжения на открытом р-п-переходе от температуры позволяет использовать его как датчик температуры, а низкое дифференциальное сопротивление на участке электрического пробоя - в качестве зависимого источника постоянного напряжения (стабилитрона). Для обозначения на электрических схемах описанных выше электронных элементов применяются условные графические обозначения (УГО), примеры которых приведены на рис 3.22.

4. Многопереходные электронные элементы

Взаимодействие нескольких р-n-переходов позволяет выполнить электрически управляемые (усилительные) элементы, являющиеся основными компонентами современной электроники.

4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)

Полупроводниковый триод (три вывода), биполярный (в электропроводности участвуют два типа носителей: основные и неосновные), транзистор (электрически управляемый резистор) - это электрически управляемые элементы, способные работать как в непрерывном (линейном) режиме управления, так и в ключевом.

Современные биполярные транзисторы способны пропускать токи в сотни ампер, выдерживать напряжение в несколько тысяч вольт, коммутируя мощности в несколько сотен ватт, сохраняя свои управляющие свойства в диапазоне частот управляющих сигналов в несколько тысяч мегагерц. Современные технологии позволяют в 1 см³ полупроводника выполнить несколько тысяч транзисторов, что делает возможным выпускать функционально законченные электронные блоки (однокристальные ЭВМ, многофункциональные усилители) на основе одной конструктивной единицы - микросхемы.

а) б)

Рис. 4.1. Схематическое изображение и условные обозначения: а) п-р-п-; б) р-п-р-транзистора

Биполярный транзистор получается путем технологического соединения двух р-n-переходов с любым чередованием слоев p-n-p-транзистор или n-p-n-транзистор (рис. 4.1).

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер (от “эмиссия”), коллектор (“собирать”), база (основание). Управляющим является переход база-эмиттер, а нагрузочная цепь включается или в цепь коллектор-база (схема с общей базой - ОБ), или в цепь коллектор-эмиттер (схема с общим эмиттером - ОЭ) - рис. 4.2.

а) б)

Рис. 4.2. Схемы включения транзистора, как управляющего элемента: а) схема с ОБ; б) схема с ОЭ

Хотя конструкция биполярного транзистора выглядит симметричной, реально площадь перехода коллектор-база делается большей, чем эмиттер-база. В результате, если поменять коллектор и эмиттер местами (инверсное включение биполярного транзистора), то управляющие свойства сохраняются, но значительно ухудшатся.

а) б) с)

Рис. 4.3. Режимы работы биполярного транзистора: а) активный; в) отсечки; с) насыщения

Хотя на практике в качестве основной используется схема с ОЭ, для простоты пояснения физики процесса управления обычно рассматривается схема с ОБ. Поскольку биполярный транзистор состоит из двух р-п-переходов, а каждый из них можно включить как в прямом, так и в обратном включении, то (исключая из рассмотрения практически не используемый инверсный режим) транзистор может находиться в одном из трех состояний: активный (линейный) режим - коллекторный переход заперт, эмиттерный - открыт; режим отсечки (разомкнутый ключ) - оба перехода заперты; режим насыщения (замкнутый ключ) - оба перехода открыты (рис. 4.3).

Физика работы р-п-р- и п-р-п-транзистора одинакова, различаются лишь на обратные полярности всех напряжений и направлений токов. Далее будет рассматриваться п-р-п-транзистор как наиболее массовый (из-за технологических особенностей в изготовлении).