35.9. Полупроводниковый диод

Как видим, контакт двух примесных полупроводников с переходом обладает односторонней проводимостью. Способность перехода пропускать ток только в одном направлении используется в силовых установках тока и в радиотехнике для выпрямления и преобразования высокочастотных электрических колебаний. Прибор с одним переходом называется полупроводниковым диодом (см. рис. 35.23).

Стрелка в обозначении полупроводникового диода на схемах соответствует прямому току. Во время положительного полупериода входного напряжения сопротивление диода очень мало по сравнению с сопротивлением резистораR, на котором падает выходное напряжение, поэтому . Во время отрицательного полупериода сопротивление диода, наоборот, намного превышает сопротивление резистораR, поэтому . Графики зависимостииот времениприведены на рис. 35.24.

35.10. Транзистор

Транзистор – это электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот.

Наиболее распространенный транзистор изготовляется на базе кристаллической пластинки германия, кремния или другого полупроводника размером приблизительно 2 на 2 мм с электронной (типа, см. рис. 35.25), или дырочной (типа, см. рис. 35.26) электропроводностью. Контролируемым введением примеси с противоположных граней пластинки создаются области (эмиттер и коллектор), имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости самой пластинки (базы). Примеси продолжают вводить до тех пор, пока толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, не уменьшится до . Между эмиттером и базой а также между коллектором и базой возникают дваперехода, каждый из которых имеет такие же электрические свойства, как и полупроводниковый диод.

Если база имеет электропроводность типа, а эмиттер и коллектор – электропроводностьтипа, то такой транзистор будет иметь структуру(рис. 35.25). Если, наоборот, база имеет электропроводностьтипа, а эмиттер и коллектор электропроводностьтипа, то это транзистор со структурой (рис. 35.26). В области коллектора при роботе транзистора выделяется больше тепла, поэтому коллектор делают большим по объему, чем эмиттер. Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называется коллекторным, между эмиттером и базою – эмиттерным.

Условные графические изображения на схемах транзисторов разных структур отличаются направлением стрелки, символизирующей эмиттер. У транзистора структуры стрелка эмиттера повернута к базе (рис. 35.27, а у транзистора – от базы (рис. 35.28). Стрелка эмиттера указывает направление тока через транзистор. Схема простейшего усилителя колебаний звуковой частоты показана на рис. 35.29.

Усиливаемый сигнал подается на зажимы “Вход”. Участок коллекторной цепи, к которому подключены телефоны BF, является выходом усилителя. Батарея GB напряжением служит источником питания усилителя. Поскольку в усилителе используется транзистор структуры, батарея отрицательным полюсом соединена с эмиттером, а положительным – с коллектором (через телефоны).

Резистор является линейным элементом, так как его сопротивление не зависит от тока, а следовательно, зависимость напряжения от тока линейна. Транзистор можно рассматривать как нелинейный элемент, подключенный между отрицательным полюсом батареи питания и телефонами, сопротивление которого изменяется в соответствии с величиной входного сигнала. Если входное напряжение возрастает, то уменьшается сопротивление этого элемента, увеличивается величина тока, протекающего через этот элемент и телефоны. Если входное напряжение уменьшается, то сопротивление этого элемента растет и уменьшается величина тока, текущего через этот элемент и через телефоны. Этот элемент вместе с телефонами образует делитель напряжения, к которому подключена батарея питания. При увеличении (уменьшении) входного напряжения сопротивление нелинейного элемента уменьшается (увеличивается), а следовательно, уменьшается (увеличивается) напряжение на этом элементе. Переменная составляющая этого напряжения рассматривается как выходное напряжениеусилителя. Графики зависимостииот времениприведены на рис. 35.30.

Изменять сопротивление нелинейного элемента можно, увеличивая или уменьшая концентрацию носителей тока. Коллекторный переход включен в запорном направлении и поэтому носителей тока в коллекторном переходе практически нет.

Чтобы иметь возможность ввести носители тока в коллекторный переход, между базой транзистора и положительным проводом питания включен резистор , сопротивление которого подбирают при наладке усилителя (на схемах резисторы, величина которых требует подбора, помечаются звездочкой). Через этот резистор и через эмиттерный переход транзистора течет ток, поскольку на эмиттерный переход напряжение подается в прямом направлении. Большая часть напряжения падает на резисторе . Между базой и эмиттером устанавливается небольшое постоянное напряжение (для германиевых транзисторов 0,1...0,2 В, для кремниевых 0,6...0,7 В), которая называетсянапряжением смещения.

Толщина слоя базы, разделяющего эмиттер и коллектор, очень мала (0,1...1 мкм), и поэтому большая часть (около 99%) носителей тока (электронов), выходящих из эмиттера, вследствие хаотического теплового движения попадают в область коллекторного перехода. Введение носителей тока через переход в область, где они являются неосновными, называется инжекцией. Наличие носителей тока в области коллекторного перехода приводит к снижению его сопротивления. В цепи “отрицательный полюс батареи питания – эмиттер – коллектор – телефоны – положительный полюс батареи питания” течет электрический ток.

Конденсатор – вспомогательный элемент усилителя: он не создает заметного сопротивления входному сигналу и в то же время препятствует замыканию постоянного тока базовой цепи транзистора на отрицательный полюс батареи питания через источник сигнала.

Ко входу усилителя можно подключить звукосниматель электропроигрывателя. Слабый сигнал звуковой частоты, создаваемый звукоснимателем, будет вызывать периодическую перезарядку конденсатора . Таким образом, вместе с постоянным током через эмиттерный переход будет протекать еще и переменный ток звуковой частоты. Сопротивление коллекторного перехода будет меняться по закону изменения сигнала звуковой частоты. Поэтому и ток в телефонах будет изменяться по тому же закону. Телефоны будут возбуждать звуковые волны в воздухе. Таким образом, транзистор усиливает слабый сигнал, создаваемый звукоснимателем.

Если в усилителе используется транзистор типа , то изменяется полярность подключения батареи питания.

Возможно, у вас уже возник вопрос, как же поддерживается пропускной ток в области диода или транзистора? Казалось бы, этот ток должен быстро прекратиться вследствие исчерпания дырок вобласти. Но это не так. В момент подключенияобласти к электрической цепи электроны из металлического провода диффундируют вобласть и рекомбинируют здесь с дырками. Поэтому на границе металла иобласти полупроводника возникает потенциальный барьер (точно такой же, как и впереходе), который приостанавливает дальнейшую диффузию. Потенциалобласти становится при этом отрицательным относительно металла. Когда же часть дырок черезпереход покидаетобласть, разность потенциалов в контактеобласть – металл возрастает и напряженность этого поля становится достаточной, чтобы оторвать валентный электрон от атома полупроводника. Возникшая дырка движется к переходу, а электрон идет в металл и поддерживает ток в проводе.