45.Полупроводниковые приборы. Полупроводниковые диоды, транзисторы. Физика процессов в полупроводниковых устройствах. Применение полупроводниковых устройств.
Транзисторами называются полупроводниковые приборы на основе кристалла с двумя р-n переходами и служащие для усиления электрических сигналов. В структуре транзистора возможно количество переходов, отличное от двух. Транзисторы с двумя р-п переходами называются биполярными, так как их работа основана на использовании зарядов обоих знаков. Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемый электрическим полем. В полевом транзисторе используются заряды одного знака. В кристалле полупроводника транзистора созданы три области электропроводности с порядком чередования р-n-р или n-р-n.
Средняя область кристалла транзистора называется базой, крайние области — эмиттером и коллектором. Переходы между базой и эмиттером и базой и коллектором называются соответственно эмиттерным и коллекторным. Для обозначения величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют буквы б, э, к. На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу. В зависимости от напряжений на переходах транзистора он может работать в трех режимах. Активный режим Получается при напряжениях прямом на эмиттерном и обратном на коллекторном переходах. Режим отсечки или запирания — напряжения на обоих переходах обратные. Режим насыщения — напряжения на обоих переходах прямые. Основным является активный режим. В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.
Статические параметры транзистора — параметры, определяемые при постоянном напряжении на всех его электродах.
Схемы включения транзисторов разделяются в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим относительно входного и выходного переменных напряжений. В соответствии с этим схемы называются схемами с общим эмиттером — ОЭ, общей базой — ОБ, общим коллектором — ОК Схема ОЭ является более распространенной, так как дает наибольшее усиление по мощности. Данные схемы включения транзисторов приведены на рис. 2. 3.
Рис. 2. 3. Схемы включения транзисторов
а.) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором. ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.
Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковым диодом называется прибор, основой конструкции которого является один р-n переход. Условное обозначение диода сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника. Универсальные и импульсные диоды — полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов включения и выключения и предназначенные для применения в импульсных режимах работы. Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики этого диода является почти прямой линией, поэтому при изменении тока, проходящего через прибор, напряжение на нем практически не меняется.
а) выпрямление переменного тока с помощью выпрямительного диода. Rнагр — сопротивление нагрузки; 6) стабилизация напряжения с помощью стабилитрона. Uвх — входное напряжение, Uвых — выходное напряжение; в), г) вольт-амперные характеристики. iпр, Unp, iобр.Uобр ~ прямые и обратные токи и напряжения, Uст — стабилизированное напряжение.
Применение полупроводников обеспечило повышение быстродействия и надежности ЭВМ, уменьшило их габариты, энергопотребление и стоимость. К моменту смены элементной базы произошли также существенные изменения в структуре, архитектуре и режимах использования компьютеров.
Полупроводники используют в качестве термометров для замера температур окружающей среды. Они более чувствительны, чем термометры сопротивления, изготовляемые из металла под названием болометров и применяемые в лабораторной практике для измерения очень высоких или самых низких температур.