46. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и освещения.

Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается (рис. 157). Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число оспобождающихся электронов увеличивается, концентрация свободных электронов в кристалле возрастает.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах.

Устройство терморезисторов.

Для изготовления терморезисторов применяются полупроводниковые

материалы, являющиеся смесью оксидов некоторых металлов — титана, магния, никеля, лития, марганца, кобальта. Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь. Некоторые терморезисторы не имеют специальной защитной оболочки, полупроводниковый материал в них лишь покрыт слоем лака.

Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах — в закрытых камерах-термостатах.

Фоторезисторы.

Опыты показывают, что электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов изменяется не только при их нагревании, но и при освещении. При увеличении освещения электрическое сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается. Это означает, что энергия, необходимая для освобождения электронов и дырок, может быть передана им светом, падающим на кристалл. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами. Фоторезисторы изготавливаются в виде тонких слоев полупроводникового вещества, нанесенных на подложку изолятора. Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа и ряд других.

Свойства р-n-перехода.

Полупроводниковые приборы являются основой современной электронной техники. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, микрокалькуляторах и электронных вычислительных машинах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств -перехода.

Для создания -перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.

Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок (рис. 158, а).

Диффузия электронов из

полупроводника в -полупроводник приводит к появлению в электронном проводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси (рис. 158, б). Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из -полупроводника в -полупроводник или дырок из -полупроводника в -полупроводник. Электронио-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход,

является границей, разделяющей области с дырочной и электронной проводимостями в одном монокристалле.

Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.

Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение его значение для германиевых -переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых — около 0,6 В.

Если к -переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в -полупроводнике и дырки в -полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление -перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в -полупроводнике и дырок в -полупроводнике.

Если к -переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через -переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.

Способность -перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.

Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.

Транзистор.

Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен в 1948 г. По способу изготовления транзистор очень мало отличается от полупроводникового диода.

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают

два перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером (рис. 159). Транзисторы, в которых эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью, а база — электронной, называются транзисторами -перехода.

Транзисторы -перехода имеют аналогичное устройство — только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной. Условное обозначение транзистора на схемах представлено на рисунке 160.

Включение транзистора в электрическую цепь.

Для приведения в действие на коллектор транзистора типа подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к эмиттеру.

Основным рабочим состоянием транзистора в большинстве электрических схем является активное состояние, при котором к эмиттерному -переходу приложено напряжение в пропускном направлении, а к коллекторному — в запирающем направлении. При этом эмиттерный -переход открывается и из эмиттера в базу переходят дырки.

Путем диффузии дырки распространяются из области с высокой концентрацией вблизи эмиттера в область с низкой концентрацией к коллектору. Дырки, достигающие коллекторного -перехода, втягиваются его полем и переходят в коллектор.

Небольшая доля дырок, движущихся от эмиттера к коллектору встречает на своем пути через базу электроны и рекомбинирует с ними. Убыль электронов в базе за счет рекомбинации восполняется приходом электронов через базовый вывод. Таким образом, ток, протекающий через эмиттерный вывод транзистора в активном состоянии оказывается равным сумме токов, протекающих через его коллекторный и базовый выводы:

Соотношение между токами коллектора и базы транзистора в активном состоянии определяется условиями диффузии и

рекомбинации дырок в базе. Эти условия сильно зависят от типов использованных для изготовления транзисторов материалов и конструкции их электродов, но очень слабо зависят от коллекторного и базового напряжений. Поэтому транзистор можно рассматривать как устройство, распределяющее ток, протекающий через один из его электродов — эмиттер, в заданном соотношении между двумя другими электродами — базой и коллектором (рис. 161).

Усилительные свойства транзистора.

Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.

Используя параметр связь между током коллектора и током базы можно приближенно записать в виде

При включении транзистора по схеме, представленной на рисунке 162 (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы является отношением изменения выходного тока к изменению входного тока Это отношение называется коэффициентом усиления по току К,

Так как параметр транзистора может иметь значения от до электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.

Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор

значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.

Изменение тока коллектора на некоторую величину приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину

Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, обычно составляет несколько сотен ом. Коэффициент усиления транзисторного каскада по напряжению при условии может превышать значение коэффициента усиления по току .

В качестве усилительных элементов транзисторы широко применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах.

Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.

Микроэлектроника.

Качественно новый этап развития электронной вычислительной техники, систем связи, автоматики наступил в результате развития нового раздела электроники — микроэлектроники.

Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе.

При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводникового материала наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. Для каждого нового слоя используется своя технология нанесения и свой рисунок расположения деталей. В результате на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, соединенных проводниками в определенную схему. Например, микросхема часов «Электроника» размещена на кремниевом кристалле толщиной 0,5 мм и размерами мм. В этой микросхеме содержится около 3000 транзисторов. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм.

Наиболее революционные изменения благодаря разработке микросхем произошли в области электронной вычислительной техники. Вместо ламповых ЭВМ, содержащих десятки тысяч ламп

и занимавших несколько этажей здания, транзисторных ЭВМ, занимавших большую комнату, созданы компьютеры на интегральных схемах - микропроцессорах, размещающиеся на письменном столе. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Применение микропроцессоров привело к тому, что скорость вычислений на ЭВМ за 25 лет выросла примерно в 200 раз, а потребление электроэнергии ЭВМ уменьшилось в раз.