Одностороннюю проводимость контактов двух полупроводников разных типов применяют для создания полупроводниковых выпрямителей, предназначенных для выпрямления и преобразования переменных токов. На основе этого явления работает большинство современных полупроводниковых приборов.
Область контакта между полупроводниками р- и n-типа называют электронно-дырочным (р-п) переходом. При установлении контакта часть электронов вследствие диффузии из полупроводника n-типа переходит в полупроводник p-типа, а часть дырок из р-типа - в n-тип и в результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа отрицательно. Вследствие этого между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле.
Рис.25 . Электронно-дырочный (р-n) переход и образование запирающего слоя
Это поле будет препятствовать диффузии электронов и она прекратится в тот момент, когда созданное поле возрастет настолько, что электроны не смогут перемещаться через поверхность контакта. Таким образом, в узкой области поверхности контакта образуется запирающий слой (двойной электрический слой). Запирающее напряжение для кремниевых р-n переходов примерно 0,6 В, а для германиевых - 0,35 В.
При помещении полупроводника с р-n переходом в электрическую цепь так, что область с электронной проводимостью была соединена с положительным полюсом источника тока, ширина запирающего слоя увеличивается, так как электроны и дырки отодвигаются от запирающего слоя в разные стороны.
Рис.26 Схема, показывающая принцип действия полупроводникового диода.
Ток в этом случае обусловлен наличием небольшой концентрации свободных электронов в р-полупроводнике и дырок - n-полупроводнике и называется обратным.
При помещении полупроводника в электрическую цепь так, что положительный полюс соединен с областью р-проводимости, ширина запирающего слоя уменьшается, вследствие чего движение основных носителей облегчается и через р-n переход будет течь ток, называемый прямым,
Рис. 27 Схема, показывающая принцип действия полупроводникового диода.
Таким образом, р-n переход обладает односторонней проводимостью, которая используется для выпрямления переменного тока в полупроводниковых диодах. Схематическое изображение диода представлено на рис….
Рис.28 Схемы диодов и их условные обозначения
Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1В называется коэффициентом выпрямления.
Вольтамперная характеристика полупроводникового диода имеет следующий вид:
Активный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три электрода, и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, называется транзистором.
Смысл этого названия заключается в том, что можно управлять током одной цепи (выходной) с помощью тока, протекающего в другой цепи (входной).
Основным типом биполярного транзистора, ток в котором обусловлен движением зарядов обоих знаков, является транзистор с двумя р—n переходами. (В полевом транзисторе ток обусловлен только электронами или дырками.) Полупроводниковый кристалл разделен гонкой областью с противоположным типом проводимости. В зависимости от проводимости этих трех областей могут быть транзисторы структуры р-n-р и n-р-n типа.
Рис.30 . Схемы n-р-n- и р-n-р - транзисторов
Средняя область называется базой, крайние области - эмиттером и коллектором. Схематическое изображение транзистора приведено на рис
Рис.31 . Условные обозначения транзисторов в электрических схемах
Эмиттерным называется р-n переход, предназначенный для вбрасывания (инжекции) неосновных носителей зарядов через этот переход в область базы.
При разомкнутой цепи эмиттера, ток в цепи коллектора мал, т.к. сопротивление р-n перехода в обратном направлении большое. При замыкании цепи эмиттера основные носители заряда эмиттера – дырки – переходят в базу и создают ток в этой цепи. Из базы значительная часть дырок проникает в коллектор (переход для них прямой) и создает ток в цепи коллектора.
Транзисторы предназначаются в основном для усиления токов, хотя в зависимости от полярности напряжений на переходах транзистора они могут выполнять функции переключателей, прерывателей и др.
Всякое изменение тока (напряжения) в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока (напряжения) в цепи коллектора. Изменение напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи коллектора можно сделать гораздо больше, чем вызывающее его изменение напряжение в цепи эмиттера, т.е. получить усиление. Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, в цепи коллектора мы получим переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении - переменное напряжение. Мощность переменного тока, выделяемая в нагрузочном сопротивлении, может быть намного больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера, т.е. получается усиление мощности, т. к. при одинаковой силе тока в эмиттере и коллекторе напряжения на них пропорциональны сопротивлениям.
Вследствие того, что транзистор является трехэлектродным прибором, один из его электродов является общим для входной и выходной цепи. Поэтому возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь.
Рис.32 . Способы включения транзистора в электрическую цепь с общим: эмиттером, базой и коллектором
Транзистор
Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами). Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения. Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.
В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.
Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — : германиевыми.
Ток в газах
Прохождение тока через газы называется газовым разрядом. Если носители тока в газах образуются за счет внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля, то это несамостоятельный разряд – нагрев газа (термическая ионизация), ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, радиоактивное излучение. Если носители тока образуются за счет процессов, созданных в газе электрическим полем – самостоятельный разряд.
Несамостоятельный разряд. В результате ионизации образуется определенное число положительных ионов и электронов. При низких напряжениях в газоразрядной трубке возникает ток, но часть ионов рекомбинирует с электронами и создает нейтральные молекулы (по мере роста напряжения и силы тока). Наступает момент, когда все ионы и электроны достигают катода и анода соответственно – ток достигает насыщения.
Самостоятельный разряд. Будем увеличивать напряжение. С какого-то момента сила тока опять будет возрастать. Ионизация происходит не за счет внешнего ионизатора, а за счет электронного удара.
(mv2) / 2 = eU³A,
А – работа по ионизации свободного атома. Возникает электронная лавина. Для поддержания тока нужна эмиссия электронов с катода. Эмиссия возможна за счет ударов ионов о катод и за счет его нагревания.
Типы самостоятельного разряда.
а) тлеющий разряд (при низких давлениях).
U» 1000 В. Р » 50 мм. рт. ст.
Рис.34
1 – Астоново темное пространство.
2 – Светящаяся катодная пленка.
Катодное темное пространство.
Тлеющее свечение.
Темное фарадеево пространство.
Положительный столб.
В области 1 выбитые электроны ускоряются и начинают в области 2 возбуждать молекулы газа. Те электроны, что пролетели 2 область без столкновений, еще ускоряются и начинают ионизировать газ, т.е. уменьшается свечение, но увеличивается концентрация носителей: ионы вначале имеют малую скорость, но в области 3 ускоряются. После 3 области концентрация носителей увеличивается (плазма) Þ рекомбинация частичная Þ свечение. Между 4 и 5 областями поля почти нет, но в фарадеево пространство ионы и электроны проникают за счет диффузии. С уменьшением концентрации падает вероятность рекомбинации Þфарадеево пространство темное. В фарадеевом пространстве уже есть поле и электроны постепенно накапливают энергию.
Положительный столб – газоразрядная плазма – светится за счет перехода возбужденных молекул в основное состояние.
б) дуговой разряд. Если соединить угольные электроды и пропустить ток, то вместе контакта из-за большого сопротивления выделяется тепло (термоэлектронная эмиссия). При раздвижении стержней начинается разряд. Между углями возникает ярко светящийся изогнутый столб газа – электрическая дуга.
в) при атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника наблюдается газовый разряд, напоминающий корону – коронный разряд.Вызван высокой напряженностью поля. Происходит ионизация электронным ударом при атмосферном давлении.
г) искровой разряд. Происходит в воздухе при большом напряжении – молния. Сила тока достигает величину 500000 А. U = 109 В.
Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов совпадают – четвертое состояние вещества.