ной под одним из концов катушки, то получится электромагнитное
реле. При пропусканий через катушку электрического тока стальная пластинка притягивается к катушке и перемещает подвижные контакты. Происходит их переключение. Чтобы контакты реле вер-
нулись в первоначальное состояние, необходимо разорвать цепь
питания катушки.
На электрических схемах катушка электромагнитного реле изображается в. виде прямоугольника c выводами от больших сторон. Контакты реле изображают так же, как и контакты выключателей и переключателей (рис. 7.30, a). Если контакты расположены на схеме рядом c катушкой (обмоткой), их соединяют штриховой лини ей, если в различных местах — то около прямоугольника, означающего обмотку катушки реле, ставят букву K и порядковый номер реле, a около контактов реле — такое же буквенно-цифровое обозначение, затем точку и номер контактной группы (рис. 7.30, б).
Свойства обычных электромагнитных реле не зависят от полярности напряжения, приложенного к концам катушки. Но есть реле,
• для которых обязательно нужно соблюдать это условие. Такие реле называют поляризованными. При подаче на обмотку данного реле напряжения одной полярности замыкаются один контакты, и они могут фиксироваться в этом положении даже при снятии напряжения c обмотки. Чтобы перевести контакты в другое положение, необходимо поменять полярность напряжения на обмотке.
l•
Jgi.i Л%Г
в
Рис. 7.30. Условные графические обозначения электромагнитных реле
Схема реле показана на рис. 7.30, в. Кружок y неподвижного контактa означает, что в этом, положении состояние контактов фикси-
руется при срабатывании реле. Точки . у одного конца обмотки й . y одного неподвижного контакта свидетельствуют o том, что дня за-
мыкания подвижного контакта с неподвижным, помеченным точ-
кой, : вывод обмотки, также обозначенный точкой, должен соеди-
няться c положительным полюсом источника, подключаемого к
дбмоткё. Латинская буква «р» в прямоугольнике указывает на то, что
реле поляризованное..
.
Элехтротехниха и электроника
682
7.1.8.. Предохранители1
Радиоэлектронная аппаратура рассчитана на определенную силy потребляемого ею тока. Если сила ' этого тока значительно возрастает, это означает, что в аппаратуре возникла неисправность. Причинами 'увеличения тока могут служить одновременное подключе-
ние к сети, нескольких мощных потребителей тока или так называемое короткое замыкание -- соединение концов участка сети, например. гнезд электрической розетки, проводником; обладающим очень малым сопротивлением. .
Такое явление возможно при ремонте электропроводки, находя
щеЙся под током, Чего ни в Коем случае делать нельзя.
Для защиты от перегрузок.и коротких замыканий в сеть и цепи
питания радиоэлектроннойаппаратуры включают плавкие предохранители: На рис. 7.31, а показано устройство плавкoго предохранителя, применяемого в квартирной элeктропроводке. Если предохранитель 7 не вставлен в патрон Р, цепь ддя электрического тока оказывается разомкнутой. При вкручивании предохранителя в
патрон электрическая цепь 'К замыкается через находящуюся в предохранителе свинцовую проволоку C. Толщина этой проволоки рас-
считана на определенную силу тока.. Если сила тока в цепи окaжется большей, проволока расплавится й цепь разомкнется. На рис. 7.31, 6 изображен плавкий предохранитель, применяемый в радиоаппаратуре. он представляет собой стеклянную трубку, по . оси которой натянута tонкая проволока, припаянная к метaлличeским колпачкам, надетым на концы трубки. Предохранитель вставляет= ся в специальный держатель. Провод питания подводится к .одному зажиму держателя, a затем подсоединяется к устройству через предохранитель и другой зажим держателя.
Условное графическое обозначение плавкого предохранителя показано на рис. 7.31, в. Рядом с буквой F часто указывают коминальныЙ •ток.
в
6
a
Рис. 7.31. Предохранители
683 .
, Глава '7. Основы aneicinponuicu
7.2. Пoлyпpoвoдникoвыe приборы
^
7.Z. 1.. Электрические свойства полупроводников
к полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характернoй чертой полy-. проводников, .отличающей их от других веществ, является сильнaя
зависимость их сопротивления от темперtтуры и концентрации примесей. ' .
B производстве полупроводниковых приборов наибольшее
распространение получили такие матерi алы, как германий и крем-
ний. они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе' таблицы Менделеева.
Все вещества состоят, из атомов. Атом включает положительно. , заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам c определенным радиусом. - Энергию электронов атома можно представить в виде диаграм- . мы (рис. 7.32, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут
обладать лишь значениями 'энергий, равными No 1, 2, 3, 4 и не могyт иметь, промежуточны ж уровней. .
Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются
валентными. Устайовлено, что в атоме любого вeщества одинаковaя энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными слова-
ми, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни элек-
тронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. в результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 7.32, б):
При абсолютном нуле (абсолютный нуль -- наиболее низкая возможная температура --273,1б°C; в настоящее время достигнуты температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на ничтожные
доли градуса) все вaлентные электроны находятся на орбитах и прочно связаны c атомами. Поэтому .в таком полупроводнике нет сво-
бодных электpонов, и он представляет собой идеальный изолятор (диэлектрик). C ростом температуры вялентны е электроны получа- ют дополнительную энергию и могут оторваться от атома. Оторвавшийся электрон становится «свободным». Энергетические уровни свободных электронов образуют зону проводимости, расположен-
нyю над валентной зоной и отделенную от нее запрещенной зоной шириной ЛW (рис. 7.32,' в). ,
Свободные электроны могут перемещаться по полупроводнику и участвовать, таким образом, в образовании электрического тока. Чем больше свободных электронов в единице объема вещества,. тем меньше его сопротивление. •
Между атомами ' в кристaлле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращёния двух электpoнов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 7.33, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 вaлентных электрона. В результате образования парньгк ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плос-
кие модели кристаллических решеток чистого германия Ge и крем ния Я изображены на рис. 7.33, .б. На этом рисунке парные кова-
лентные связи показаны двумя параллельными линиями,
w
•
в' г
Рис. 7.33. Кристаллическая решетка чистого германия и кремния
б85
Глава 7. основы электроники
соединяющими два соседних атома, a электроны, образующие эти
связи,-- в виде черных точек.
При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться, ион станет свободным.
Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон,
называют дыркой. На энергетической диагpaмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне,. с которого электрон перешел в зону ,проводимости (рис. 7.33, г).
образование свободных электронов в зоне проводимосiи и дырок в вaлентной зоне называют генерацией подвижных носителей
заряда, или генерацией пар электрон—дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровож-
. дается появлением дырки в валентной зоне.
. Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, низ зоны . пpoводимости перейти в валёнтную зoнy, заполнив собой одну из имеющихся в ней .дырок. При этом Восстанавливается ковалентная связь. :
Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбина- ция всегда сопровождается потерей пары электрон -- дырка.
При заданной температуре в полулроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. e. некоторое количество свободныx электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому
полупроводнику подключить источник напряжения ; свободные
электроны под действием образовавшегося электрического поля
будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая элект рический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковален-
тные связи и восстанавливать другие --- разрушенные:. При этом в
одном местедырка исчезает, a в другом, откудаушел электрон, по-
является. Следовательно, в полyпроводнике могут перемещаться не
только электроны, но и дьтрки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.. '
Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, a электропро
водность (способность проводить электрический ток), обусловлен-
ную наличием свободных электронов и дырок,— собственной элек- тpопроводностью. .
Для придания полупроводниковым ' приборам необходимых
свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. в
качестве таковыx используются пяти- ' и трехвалентные элементы,
расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.
При внесении в германий или кремний пятивалентных элемен-
тов (фосфора P, мыпиьяка As, сурьмы sb и др.) четыре валёнтньпс
электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные
Электротехника u электроника
. 686
связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электpоны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связа- ны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в по-
ложительный .ион.
Появление свободных электронов не сопровождается допол- нительными разрушениями ковaлентных связей, a наоборот, неко=- торые дырки <<исчезают», рекомбинируя (восстанавлйвая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание. тока через полyпроводник будет в основном определяться дви - жением электронов и в очень малой степени движенйем дырок. Это полупроводники. п'-типа (от лат. negative --отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупро-
'Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия .1"п, алюминия А1, галлия Ga и др., то три валентных элект-
рона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи c
тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для
образования четвертой ковалентной связи примесньтм атомам нее
хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие
разрыва ковалентны х связен между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электpона образуется дырка, a. примесные атомы, принявшие по электрону превращаются в отрицательные
ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнитель-
ное количество' дырок, а число .свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупр.оводнйке создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени -- при движении свободных электронов в
г
687
Глава 7. Основы электроники
зоне проводимости. Это полупроводники p-типа (от лат. positive —
положительный).. Примеси называют акцепторами. . .
Подвижные. носители электpического заряда, которые преобла-
дают в полупроводнике данного типа, называются основными, остaльные — неосновными. в полупроводнике п-типа основными но-
сителями заряда являются электроны, a неосновными -- дырки, в полyпроводнике p-типа, наоборот, дырки -- основные носители ; a
электроны — неосновные.
7.2.2. Электронно-дырочньй переход
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на . границе двух полупровод никое c различными типами электропроводности.
Рассмотрим структуру, состоящую из полyпроводниковыx областей р и п-типа (рис. 7.35, а).. в состоянии равновесия -отрицательный
дырок, a положительный заряд ионов-доноров - отрицательным за рядом свободных электронов, и каждая.из. областей полупроводника является .электрически нейтральной. , .
Концентрацию основных носителей — дырок в p-области, установившуюся при . некоторой температуре, обозначим через р,
__..p ..
р
Ев^++,'
R . •
o
_о^о_о_ _..
. `iоi
о й о о То..
0_ +_о,^о1
++г
• a^" .•о
, 0 а о оо0.
_ О •а. O i...-
I
г
^ ^ I9c^g, .
;
р, , . 9^
i
^
nn
зopяд
б
Рис. 7.з5. Образование элeктpoнно-дырочного перехода (дырки обозначены кружками, соответствующие им ионы примеснъпс атомов — черточками; электроны -- черными точками, а,соответствующие им положительные ионыпримесных атомов -- знаком «+»)
п,,0 = про.
Электротеxника и электроника
б88.
a неосновныx носителей --- электронов через п,0. Концентрацию основных носителей -- электронов — и неосновных носителей дырок в п-области — обозначим соответственно через п 0 и пг0. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителейV р- области соответственно равны концентрациям основных и неоснов-
ных носителей п-области, т. e. рр0 ' = п,г0 и
Предположим, что p -- и п-области соединены друг c другом {рис. 7.35, б}. Так как в р-области дырок значительно больше, чем в п-об- ласти, будет происходить их диффузия из р-области в п-область. Этот процесс аналогичен диффузии подвижных частиц в' жидкости
и воздухе. Вследствие разности концентраций электpо ов в р- и п- областях будет происходить их диффузия из п-области в р-область.
диффузия основных носителей через границу междy p- и п-облас- тями создает электpический ток. Этот ток нaзывают диффузионным. Он содержит электронную й дырочную сост^вляющие и направлен из р-области в п-область.
При уходе дырок из р-области в п-область в р-области остаются отрицательные ионы акцепторов; a при уходе электронов из п-об- ласти в р=область в п -облaсти остаются положительные ионы доно-
ров. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с атомами основного полупроводника {германия или кремния} и не могут перемещаться. Поэтому 'в р-области на границе c п-областью создается отрицательны й заряд, a в п-области на гpаницe с р-областью -- положительный заряд. Наличие зарядов, противоположных знаков на границе между p- и п-областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным. Оно характеризуется напряженностью Едиф:, направленной из п-области в p-oблacть.
Диффузионное поле, возникшее между p- и п-областями, оказывается тормозящим для дырок р-области и электронов п-области, т. e. на. границе между p- и: п-областями возникает .потенциaльный барьер, препятствующий диффузии основных носителей.
Помимо .основных в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей -- электронов в р-области и дырок в п-области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок п-области и электронов р- области в пределы диффузионного поля они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диф-
фузии основных носителей через границу p- и п-областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновны х :носи
телей. Такой ток тоже содержит две составляющие - электронную
и дырочную -- и называется дрейфовым, или током проводимости. дреiфовый ток направлен из: п-области в,р-область, т. е. навстречу
диффузионному току. Если к p- и п-областям не подключен вне-
', 689
Глава 7. Основы электроники
шний источник напряжения, и они не подвергаются никаким дру- гим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между p- й п-областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дре "йфовым током и резyльтирующий ток равен нулю. t .
область вблизи места контакта содержит объемные .заряды, образованные отрицательными и положительными ионами прнмесных атомов, но. в ней практически нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого сопротивление данной области оказывается очень большим, и ее называют запирающим слоем, или областью объемного заряда, a чаще всего -- электронно-
дырочным переходом (р-п-переходом).
Если к р-- и п-областям подключить внешний источник напряжения плюсом к р-области, а минусом к п-обрасти (рис. 7.36, а),
диффузионное поле р-п-перехода будет частично скомпенсировано полем внешнего источника. Потеiциальный барьер p-п-пepexoдa
уменьшится и увеличится количество электронов и дырок, прони= кающих в противоположные облаcти. Ток диффузии станетпреоблaдать над током дрейфа, и через р-п-переход будет протекать результирующий ток. Этот ток зависит от концентрации примесей в р- и п-областях и направлен из p-области в п-область . Такое подклю- чение p-п-перехода к внёшнему источнику напряжения называется прямым, a протекающий через него ток - прямым током. Прямой ток тем больше, чем больше приложенное к р-п-переходу прямое напряжение (рис. 7.36, б. '
Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к п- области и минусом к р-области (рис. 7:3б, в), внешнее напряжение увеличит потенциальный барьер р-п--перехода, диффузионный ток
станет меньше тока 'дрейфа. Результирующий ток, протекающий через р-п-переход, в этом случае будет определяться дрейфовым током, т. e. его значение п направление такие же, как и y дрейфово-
a
б
11пр.
в
г
Рис. 7.3б. Прямое и обратное включения р-п-перехода
:Э.лектротехника и элех^троника
690
го тока. Это включение р-п-перехода называют обратным, a протекающий.чёрез него ток -- обратным током. Так как обратный ток образован неёсновными подвижными носителями заряда р- и п-обла стей, концентрация которых очень мала по '. сравнению c концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от . обратного напряжения (рис. 7.36, г). При некотором значении обратного напряжения происходит пробой p-п-перехода, вследствие которого резко увеличивается обратный ток. Пробой может быть тепловым (кривая 1) или электрическим (крив 2). При тепловом пробое разрушаeтся кристалл, и свойства р -п-пеpехода теряются. Элек-
тpический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. e. свойства р-п-перехода восстанавливаются при снятии обратно-
го напряжения. .
Вольтамперная характеристика р-п-перехода - это кривая зависимости прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения. Она обычно'строится на общих координатных осях (рис. 7.37).
Из приведенной характеристики видно, что в р-п-переходах из кремния (Si) прямой и обратный токи меньше, чем в р-п-переходах из германия (Ge) 'при одинаковых напряжениях. Это связано c тем, что у кремния больше ширина запрещенной зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.
Ход вольтамперной характеристики зависит от температуры. При
ее повышении увеличивается число свободных электронов 'в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что. приводит к увеличе-
нию прямого й обратного токов при тех же значениях напряжения на р=п-переходе(рис. 7.38).
B тонком слое, образующемся на границе двух полyпроводников с различными типами электропроводности, содержатся ' ионизиро--
