11. Полупроводниковые приборы

В электронике широко применяются различные полупроводниковые приборы. Полупроводники — это обширный класс материалов, проводимость (удельное сопротивление) которых намного больше, чем у изоляторов и намного меньше, чем у металлов. Носителями тока в полупроводниках являются электроны. У некоторых полупроводников для удобства описания природы проводимости условно принимают за ток движение положительных зарядов, равных по значению заряду электрона. Такие проводники обладают проводимостью р-типа (от латинского positivus - положительный), а те, в которых ток образован движением электронов, обладают проводимостью n-типа (от латинского negative - отрицательный).

Основными полупроводниковыми материалами, получившими широкое практическое применение, являются германий и кремний,

Рис. 34. Фоторезистор: а — внешний вид; условное обозначение

Рис. 35. Терморезисторы: а — внешний вид; условное обозначение

они имеют кристаллическую структуру. Проводимость чистых полупроводников очень мала, однако при внесении в кристаллическую решетку полупроводников атомов других элементов, например мышьяка, она резко повышается. Такие добавочные элементы называются примесями. Меняя их концентрацию и используя разные элементы, можно в широких пределах менять проводимость и ее тип или т.е. придавать полупроводнику нужные свойства. Практически важным свойством полупроводников является зависимость их проводимости от внешних условий, прежде всего от температуры и освещенности.

В промышленности широко используют полупроводниковые датчики температуры и освещенности, термо- и фоторезисторы, в которых при изменении температуры и освещенности меняется электрическое сопротивление. Основной их характеристикой является чувствительность, показывающая относительное изменение сопротивления при измерении освещенности и температуры. Внешний вид фоторезисторов и терморезисторов, а также их условные обозначения показаны на рисунках 34, 35. С их электрическими характеристиками более подробно познакомимся при изготовлении автоматических реле.

Наибольший практический интерес представляют полупроводниковые приборы, в которых используются свойства так называемого -перехода. Оказывается, что в месте контакта полупроводников с различными типами проводимости образуется тонкий слой и -носителей, обладающий односторонней проводимостью. Свойство односторонней проводимости -перехода используется в полупроводниковых диодах, предназначенных для выпрямления переменного тока, а также в термо- и фотоэлементах, в которых при нагревании или освещенности возникает напряжение. Из полупроводниковых фотоэлементов образуются, например, солнечные батареи.

Рис. 36. Проводниковые диоды и их вольт-амперная характеристика

Рис. 37. Стабилитрон и его вольт-амперная характеристика

Существуют также полупроводниковые приборы, в которых используются несколько -переходов. В транзисторах, применяемых для усиления электрических сигналов, используются два -перехода. В тиристорах — полупроводниковых переключателях электрического тока — три -перехода. В последнее время все более широкое практическое применение получают интегральные микросхемы, в которых в одном кристалле полупроводника имеются сотни или даже тысячи -переходов.

Остановимся более подробно на основных электрических характеристиках полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем.

Полупроводниковые диоды. Существует много типов полупроводниковых диодов, отличающихся по нескольким признакам. По материалу полупроводника диоды делятся на германиевые и кремниевые. Германиевые диоды работают при температуре не выше 70°С, кремниевые — при температуре 125—150° С. По назначению диоды делятся на следующие группы: выпрямительные, универсальные, импульсные диоды (работа в импульсных схемах), диоды для работы в цепях сверхвысоких частот и др.

Основной характеристикой полупроводникового диода является зависимость протекающего по нему тока от значения и полярности поданного напряжения. Эта зависимость называется вольт-амперной характеристикой (рис. 36).

Напряжение, поданное на диод, называют прямым, когда

-переход имеет малое сопротивление («плюс» источника соединяют с -областью, а «минус» — с -областью). В этом случае через диод течет так называемый прямой ток, он резко возрастает с увеличением напряжения. Эта зависимость показана на рисунке 36 (в правой половине графика). На нем отмечена одна из основных характеристик диода — максимально допустимый прямой ток При его превышении может произойти разрушение -перехода из-за его перегревания.

При подаче на диод обратного напряжения -переход имеет большое сопротивление и в цепи течет минимальный обратный ток . С увеличением напряжения он практически не меняется. Эта зависимость показана на рисунке 36 (в левой половине графика). Существуют такие характеристики, как максимальное обратное напряжение макс при превышении которого может произойти разрушение (пробой) -перехода, и максимальный обратный ток . Чем он меньше, тем выше качество диода. Максимальный обратный ток диодов, в зависимости от их типов, может быть равен единицам миллиампер или даже микроампер, т. е. он в тысячи или миллионы раз меньше максимально допустимого прямого тока. Поэтому обратную проводимость диода часто не принимают во внимание.

Полупроводниковые диоды характеризуются также диапазоном рабочих частот, который меняется в очень широких пределах. В дальнейшем будем использовать выпрямительные диоды, работающие в цепях переменного тока промышленной частоты 50 Гц, и универсальные диоды, используемые для выпрямления радиочастот. Важно отметить, что на все характеристики полупроводникового диода значительное влияние оказывает изменение температуры.

Разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон, или, как его еще называют, опорный диод. Этот прибор применяется для стабилизации напряжения, его работа основана на использовании явления пробоя -перехода при превышении максимально допустимого напряжения. При пробое, как показано на рисунке 37, с достижением определенного значения напряжения обратный ток резко возрастает. Он меняется в широких пределах при незначительном изменении обратного напряжения. На графике показаны основные характеристики стабилитрона — напряжение стабилизации максимальный и минимальный токи стабилизации . На этом же рисунке показано условное обозначение стабилитрона. Стабилитроны широко используются в источниках электропитания транзисторных электронных цепей. Они всегда включаются последовательно с

резистором, ограничивающим ток стабилизации. Стабилитроны будут использоваться при изготовлении вторичного источника электропитания.

Существуют другие типы диодов, принципиально отличающиеся своей вольт-амперной характеристикой. Они имеют самое различное назначение, в частности могут использоваться для усиления и генерирования электрических колебаний. В практической работе мы будем использовать светоизлучающий диод, который при прохождении прямого тока становится источником света. Светоизлучающие диоды, или просто светодиоды, появились сравнительно недавно. Для создания -перехода в них используются специальные полупроводниковые материалы, отличные от тех, которые применяются в выпрямительных диодах. При прохождении прямого тока полупроводник начинает излучать, причем цвет излучения можно менять внесением в него различных примесей. Это излучение используется не для освещения, а для индикации (показания) напряжения или тока в современной электронике. Основное достоинство светодиодов по сравнению с лампами накаливания, которые тоже можно использовать как индикаторный прибор, состоит в малом потреблении энергии. Например, светодиод типа светится при прямом токе силой и напряжением 2,8 В. Светодиоды включаются в цепь постоянного тока через ограничительный резистор. При превышении прямого тока сверх допустимого значения происходит разрушение -перехода.

Условное обозначение светодиодов и внешний вид некоторых их типов показаны на рисунке 38. Для создания направленного излучения у светодиодов могут использоваться миниатюрные пластмассовые линзы.

Маркировка полупроводниковых диодов. Для обозначения материала полупроводника используются следующие буквы и цифры (они стоят первыми в обозначении): буква или цифра 1 — для германия или его соединений; буква К или цифра 2— для кремния или его соединений; буква А или цифра 3 — для соединений галлия. Назначение диодов указывают буквы: для выпрямительных импульсных диодов; для выпрямительных столбов и блоков и др. После этих букв идут цифры, означающие значение прямого тока. Цифра 1 обозначает, что диод имеет прямой

Рис. 38. Светодиоды: а — внешний вид; условное обозначение

ток силой до цифра 2 показывает, что прямой ток находится в пределах от 0,3 до 10 А. Например, полное обозначение диода имеет следующий вид: Это означает: диод кремниевый, выпрямительный, рассчитанный на прямой ток силой от 0,3 до 10 А. Номер разработки 15, группа А.

На принципиальных схемах диоды обозначают буквами

(см. скан)

Рис. 39. Схема измерения прямого и обратного сопротивления диода омметром

Рис. 40. Схемы проверки односторонней проводимости диода

(см. скан)

Транзисторы. Название распространенных полупроводниковых приборов — транзисторов — происходит от английских слов transfer - переносить и resictor - сопротивление, т. е. в них

происходит изменение сопротивления под действием управляющего сигнала. Действие транзистора поясним с помощью простой электрической цепи, показанной на рисунке 41. Транзистор в ней представлен переменным резистором включенным последовательно с резистором нагрузки в цепь с источником питания Очевидно, что изменение сопротивления транзистора приведет к изменению силы тока в цепи и изменению напряжения на выходных зажимах Усиление получается за счет того, что входное, управляющее напряжение или сила тока намного меньше выходного напряжения силы тока Сопротивление транзистора в соответствии с формой управляющего сигнала можно изменять плавно, например при подаче на вход синусоидального напряжения, или скачком, например при подаче прямоугольных импульсов. В последнем случае транзистор работает в ключевом или релейном режиме, так как подобное изменение выходного напряжения можно получить с помощью механического выключателя или электромагнитного реле. Форма выходного напряжения при синусоидальном управляющем сигнале показана на рисунке 42.

Каким образом осуществляется изменение сопротивления транзистора, т. е. принцип его действия, мы рассматривать не будем из-за недостатка знаний по физике. Ограничимся лишь сведениями по его устройству, электрическим характеристикам, правилам маркировки и способам включения в цепь.

Распространенный тип транзистора, который будет использоваться в практической работе, состоит из двух -переходов. Они образуются путем соединения полупроводников с различными типами проводимости в виде структур p-n-p или n-p-n. На рисунках 43 и 44 показаны упрощенные рисунки и условные обозначения транзисторов различной структуры и, соответственно, разных типов проводимости. Они имеют один и тот же принцип действия и примерно одинаковые электрические характеристики.

Рис. 41. Транзистор — управляемый переменный резистор

Рис. 42. График входного и выходного напряжения усилителя

Рис. 43. Схема внутреннего устройства и условное обозначение транзистора структуры p-n-p

Рис. 44. Схема внутреннего устройства и условное обозначение транзистора структуры n-p-n

Транзистор имеет три вывода, носящие названия эмиттер, коллектор и база. Эмиттер и коллектор соединяются с крайними областями, имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью.

Существуют также транзисторы, имеющие другую структуру и ийые названия выводов, они были разработаны позже так называемых биполярных транзисторов, которые мы рассматриваем.

Внешний вид некоторых распространенных типов транзисторов показан на рисунке 45.

Транзистор включается в цепь так, чтобы на переход эмиттер — база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база — коллектор — в обратном направлении. При этом незначительное изменение тока в цепи базы вызовет значительное изменение токов в цепи эмиттера и цепи коллектора. Широко распространенные схемы включения транзисторов разной структуры показаны на рисунках 46, 47.

Посмотрим, как при этом включены их -переходы. У транзистора структуры эмиттер (область р) соединен с источника, а база (область n) соединена через переменный резистор и ограничительный резистор источника, т. е. в прямом направлении. Прямое сопротивление -перехода, как уже говорилось, мало, и ток в цепи практически полностью

определяется сопротивлением резисторов и напряжением батареи источника. Обратное включение коллекторного п-перехода проверить труднее, так как коллектор и база через разные резисторы соединяются с одним и тем же отрицательным полюсом батареи. Выяснить, образно говоря, где «+», а где «-», поможет введение нового понятия — «потенциал электрического поля», или просто потенциал, который, как и напряжение, измеряется в вольтах. Например, если отсчитывать напряжение от отрицательного полюса батареи, т. е. считать его нулевым, то другой пслюс имеет потенциал +4,5 В. Если же отсчитывать напряжение от положительного полюса, приняв его потенциал за нулевой, то потенциал другого полюса равен —4,5 В. Знание величины потенциала необходимо и для сравнения напряжения в различных токах цепи. Вернемся к транзистору структуры Потенциал базы из-за малого сопротивления перехода эмиттер — база, включенного в прямом направлении, практически равен потенциалу положительного полюса батареи, который примем за нулевой. На коллектор же подается отрицательный потенциал, величина которого зависит от сопротивления нагрузки, тока

Рис. 45. Внешний вид транзисторов разных типов:

Рис. 46. Схема включения транзистора структуры p-n-p

Рис. 47. Схема включения транзистора структуры n-p-n

Рис. 48. Внешний вид корпусов интегральных микросхем

коллектора и напряжения источника питания, т. е. переход коллектор — база включается в обратном направлении. Полярность включения переходов у транзистора структуры определяется аналогично.

Транзисторы, по сравнению с полупроводниковыми диодами, имеют значительно большее число характеристик. Для практической работы наиболее важны следующие:

1) напряжение источника электрического питания. Оно лежит у различных транзисторов в пределах от единиц до сотен вольт;

2) величины, характеризующие усилительные свойства транзистора при разных схемах его включения;

3) диапазон рабочих мест. Как и у диодов, он лежит в широких пределах: от тысяч герц до многих миллионов герц.

Более подробно с работой транзисторов и с их электрическими характеристиками можно будет ознакомиться при изготовлении электронных усилителей и генераторов.

Маркировка транзисторов. Первые буквы или цифры обозначений показывают, как и у диода, материал полупроводника, последующие цифры указывают на мощность рассеяния и предельную частоту. Так, цифра 1 ставится, если мощность рассеяния до и предельная частота цифра 2 — при той же мощности рассеяния и частоте в пределах от 3 до Например, обозначение транзистора показывает, что транзистор кремниевый мощность рассеяния до рабочая частота в пределах от 3 до номер разработки группа А. В настоящее время широко используются транзисторы, имеющие старую маркировку, например и . На принципиальных схемах транзисторы обозначают буквами

Интегральные микросхемы — это электронные изделия: усилитель, вычислительное устройство, генератор электрических сигналов и др., отличающиеся очень малыми габаритными размерами и незначительным потреблением энергии. Интегральные микросхемы используются в промышленной электронике, автоматике и вычислительной технике. Они также широко применяются в бытовой технике, например в электронных часах, микрокалькуляторах, игровых автоматах и других устройствах. В практических работах по изготовлению различных электронных устройств, в том числе игровых автоматов, мы будем использовать микросхемы широкого применения.

В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые микросхемы, в которых на одном кристалле полупроводника выполняются транзисторы, диоды, резисторы. Различают аналоговые и цифровые микросхемы. Первые

применяются для усиления и преобразования непрерывных сигналов, вторые служат для выполнения логических или арифметических операций над электрическими сигналами, характеризующимися двумя различными состояниями.

Интегральные микросхемы имеют пластмассовый или металлический корпус с большим числом выводов (12, чаще 14 и больше). На рисунке 48 показаны корпуса распространенных микросхем.

Маркировка интегральных микросхем. Обозначение микросхемы представляет собой набор букв и цифр, показывающих назначение микросхемы и ее конструктивные особенности. Микросхемы выпускаются сериями. Серию образует совокупность разнообразных микросхем, имеющих различное назначение, но одинаковых по конструкции и по некоторым электрическим характеристикам. Последнее необходимо для совместной их работы, например одинаковым должно быть напряжение электрического питания. Для обозначения серии используются первые три цифры. На назначение аналоговых микросхем указывают две буквы, например усилитель высокой частоты, усилитель низкой частоты, операционные и дифференциальные усилители. Полное обозначение усилителя низкой частоты, выполненного в виде интегральной микросхемы, может, например, иметь следующий вид: Дополнительные буквы и цифры показывают, например, использование микросхем в бытовой и промышленной аппаратуре широкого применения (буква вид конструктивно-технологического исполнения. Маркировка цифровых микросхем будет дана во второй части книги. На принципиальных схемах микросхемы обозначают буквами: (аналоговые) и (цифровые).

(см. скан)