Полупроводниковые приборы

Кроме проводников и изоляторов в природе существуют так называемые полупроводники. Проводники имеют очень низкое сопротивление, изоляторы – очень высокое. У полупроводников сопротивление выше чем у проводников, но меньше, чем у изоляторов.Полупроводниками являются кристаллы кремния и германия, а также ряд других веществ.

Чистые полупроводники, как правило, не представляют интереса т.к. их электрическая проводимость слишком мала. Поэтому к полупроводникам добавляют примеси, чтобы уменьшить сопротивление. Вводя примеси пятивалентного элемента, можно получить полупроводник n-типа (от слова negative – "отрицательный"), а если ввести примесь трёхвалентного элемента, получится полупроводник p-типа (от слова positive - "положительный"). В полупроводнике n-типа проводимость осуществляется за счёт свободных электронов, в полупроводнике p-типа – за счёт дырок. Дырка – это место в атоме, которое покинул электрон, в связи с чем атом стал положительно заряженным. Таким образом, дырку можно рассматривать, как частицу,имеющую положительный заряд.

Если через полупроводник р-типа пропустить электрический ток, то электроны будут притягиваться к положительно заряженному концу полупроводника. Следовательно они будут встречать на своём пути дырки и заполнять их. Когда электрон от какого-то атома отрывается и заполняет дырку на соседнем атоме, которая в результате этого исчезает,образуется дырка на месте, где прежде был электрон. Эту дырку может заполнить электрон со следующего атома и т.д. Таким образом дырки перемещаются от положительного полюса источника к отрицательному – как положительно заряженные частицы (Рис. 1).

Рис. 1

Возьмём полупроводники различных типов и соединим их вместе. Приложим к этому устройству некоторое напряжение, причём положительный полюс источника подсоединим к полупроводнику р-типа, а отрицательный к полупроводнику n-типа (Рис. 2).Электроны полупроводника n-типа будут притягиваться положительно заряженным полюсом источника, и, значит, перейдут через переход, разделяющий полупроводники разных типов, и начнут заполнять дырки, которые будут перемещаться навстречу электронам. Таким образом, в этой цепи будет течь ток.

Рис. 2

Изменим теперь полярность источника: к полупроводнику n-типа подключим положительный полюс батареи, а к полупроводнику р-типа – отрицательный (Рис. 3). Дырки в полупроводнике р-типа притянутся ближе к краю, куда подключён отрицательный полюс источника, электроны в полупроводнике n-типа, аналогично, притянутся к краю, где подключён положительный полюс. Но ни дырки, ни электроны не пересекут переход. Следовательно в этой цепи ток течь не будет.

Рис. 3

Устройство, состоящее из p-n-перехода, называется полупроводниковым диодом. Диод пропускает ток в одном направлении, но не пропускает в другом (Рис. 4). У диода есть 2 электрода: анод – вывод, соединённый с р-областью и катод – вывод, соединённый с n-областью.

Рис. 4

На рисунке 5 изображена вольт-амперная характеристика диода. Если прямое напряжение будет очень маленькое, ток не пойдёт, так как p-n-переход представляет собой некоторый барьер, преодолеть который можно, приложив достаточное напряжение. В этом случае ток почти линейно зависит от напряжения. Если приложить обратное напряжение, ток будет отсутствовать или будет очень слабым в широком диапазоне напряжений. Но при некотором значении обратного напряжения наступит пробой p-n-перехода, и ток лавинообразно возрастёт.

Рис. 5

Ещё более полезными свойствами обладает прибор, состоящий не из одного p-n-перехода, а из двух: p-n-p или n-p-n. Такое устройство называется транзистором или полупроводниковым триодом. У транзистора есть три электрода: эмиттер, база и коллектор (Рис. 6).

Рис. 6

Рассмотрим транзистор структуры n-p-n. Если подсоединить эмиттер и коллектор к источнику питания или, другими словами, подать на них напряжение, то никакого тока в цепи не потечёт т.к. один переход открыт, а другой закрыт (Рис. 7).

Рис. 7

Если подать на базу небольшое положительное (относительно эмиттера) напряжение, то через переход эмиттер-база потечёт ток, вызванный тем, что электроны эмиттера и дырки базы движутся навстречу друг другу (Рис. 8). Следовательно в р-область базы будут проникать свободные электроны. Если напряжение на коллекторе выше, чем напряжение на базе, то эти электроны будут притянуты более положительным электродом т.е. коллектором, а значит и в цепи коллектора потечёт ток.

Рис. 8

На рисунке 9 изображена похожая схема, только в цепь базы подключён переменный резистор, который позволяет плавно менять напряжение на базе, а следовательно и ток. Если напряжение на базе сделать равным нулю, то ток базы будет также равен нулю. Если увеличить напряжение на базе, то потечёт ток. Будем менять напряжение на базе и измерять ток базы и ток коллектора. В результате можно построить график зависимости тока коллектора от тока базы (Рис. 10).

Рис. 9

Рис. 10

Рассмотрим полученный график (Рис. 11). Выберем какую-нибудь точку на графике. Точке А соответствует Iб=150 мкА=0,00015 А, Iк = 67,5 мА = 0,0675 А. При увеличении тока базы с 150 мкА до 200 мкА (0,0002 А) ток коллектора возрос с 67,5 до 90 мА (0,09 А) – точка Б на графике. Таким образом ток коллектора изменяется в 450 раз быстрее чем ток базы. Это число называется коэффициентом усиления транзистора.Его можно рассчитать по формуле:

Рис. 11

Таким образом, при помощи транзистора можно усиливать слабые токи, например токи с антенны или токи микрофона. На рисунке 12 изображена схема однокаскадного микрофонного усилителя. Слабый переменный ток, возникший в микрофоне, поступает на базу транзистора, на которой имеется некоторое напряжение, называемое напряжением смещения. В результате, напряжение на базе изменяется вслед за током, идущим с микрофона а следовательно меняется и ток базы. Изменение тока базы вызывает ещё большее изменение тока коллектора, идущего через наушник. Поэтому в наушнике будет слышен звук, попадающий в микрофон. Если бы мы соединили микрофон непосредственно с наушником без усилителя, то звук в наушнике был бы очень тихим из-за очень слабого тока микрофона.

Рис. 12