16. Понятия о полупроводниковой технике

16.1. Основные положения

16.1.1. В начале XX в. были открыты усилительные свойства полу­проводниковых конструкций и начато изучение и использование полу­проводниковой техники. Полупроводники занимают промежуточное место между металлами (проводниками) и диэлектриками (изолятора­ми). К полупроводникам относятся материалы с удельным сопротивле­нием 10 ... 10 Ом-м. Это обычно такие химические элементы, как крем­ний (Si), германий (Ge), а также оксиды (Cu₂O, ZnO и др.). Широко используются кремний и германий.

16.1.2. Атом кремния на внешней орбите имеет четыре валентных электрона, которые связаны с четырьмя электронами других атомов кремния. Этот идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток, поскольку не имеет свободных носителей заряда.

16.1.3. Кристалл кремния можно сделать проводящим путем добав­ления примеси других химических элементов из соседних групп. При­меняются элементы пятой группы (сурьма, фосфор) или элементы тре­тьей группы (галий, индий). Если использовать фосфор, имеющий пять электронов на внешней орбите, то каждый атом фосфора будет иметь один свободный электрон. Иначе говоря, материал будет иметь элект­ронную проводимость, или электропроводность п-типа.

16.1.4. Если взять примеси из элементов третьей группы, то полу­проводник будет иметь дырочную проводимость, или электропровод­ность р-типа.

Примеси, которые отдают начальному материалу электроны, назы­ваются донорами. Если примеси приводят к возникновению дырок, они называются акцепторами.

Работа полупроводниковых приборов основывается на свойствах р-п-перехода.

16.2. Полупроводниковые диоды

16.2.1. Полупроводниковый диод имеет один переход и два вы­вода (электрода). Работа диодов основывается на односторонней про­водимости перехода. Обычно диоды имеют герметичные корпусы, которые способствуют отводу тепла.

16.2.2. Полупроводниковые диоды классифицируются по различным признакам:

а) по типу конструкции перехода (точечные, плоскостные);

б) по функциональным признакам (выпрямительные, импульсные, детекторные, преобразовательные и др.);

в) по основному материалу (германиевые, кремневые);

г) по физическим процессам (лавинно-пролетные, туннельные, фо­тодиоды, светодиоды и пр.);

д) по предельным техническим пара­метрам (малоточные, средней мощности, большой мощности, низкочастотные и др.).

16.2.3. На рис. 16.1 приведено услов­ное обозначение диода. Стрелка на обо­значениях всегда направлена изр- в «-об­ласть. Прямое включение диода (когда на анод подается положительный заряд ис­точника питания) характеризуется очень малым сопротивлением р-п-перехода. Обратное включение характери­зуется большим сопротивлением пере­хода.

16.2.4. Вольт-амперная характеристи­ка диода (рис. 16.2) показывает, что при обратном включении возможен пробой. Определяют крутизну вольт-амперной характеристики при прямом включении

16.3. Тиристоры

16.3.1. Тиристор — это полупроводни­ковый прибор с двумя устойчивыми состо­яниями. В простейшем случае тиристор имеет три/>-и-перехода. Тиристор переклю­чается с закрытого состояния в открытое (тиро — открыто).

Тиристор — это высокоточный прибор с номинальными значениями тока в откры­том состоянии до 5000 А. Номинальные значения напряжения в закрытом состоянии достигают 5000 В. Тиристоры имеют боль­шое быстродействие КПД тиристора достигает 0,9 и более. 16.3.2. Различают управляемые и неуп­равляемые (динисторы или диодные) тири­сторы. Управляемые тиристоры имеют три электрода (анод, катод, управляющий элек­трод). 16.3.3. Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 16.3) имеет три участка: I участок — тиристор закрыт; II участок — неустойчивый режим ра­боты; III участок — тиристор открыт. Применяются также семисторы — сим­метричные тиристоры. Они применяются з цепях переменного тока. Вольт-амперная характеристика семистора приведена на рис. 16.4. На рис. 16.5 показаны стандартные обозначения тиристоров