Полупроводниковый диод – это нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными.
Выпрямительный диод на основе p-n перехода Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно дырочный переход, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю. Рис. Параметры полупроводникового диода: а) вольт-амперная характеристика; б) конструкция корпуса ВАХ описывается уравнением
Выпрямление в диоде Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде. - Коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода.
Характеристическое сопротивление Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD. Дифференциальное сопротивление определяется как Сопротивление по постоянному току На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD
rD, а на обратном участке – меньше RD
Стабилитроны Стабилитрон - это полупроводниковый диод, вольт амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф 2 50 Ом.
Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p n перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб 8 В.
Варикапы Варикап полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др. При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n- области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.
В полупроводнике n+ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p+ типа – дырками. Зонная диаграмма p+ n+ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками: Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p n перехода (p+ – более сильнолегированная область). Тогда ширина p+ n+ перехода мала: Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:
Таким образом, геометрическая ширина p+ n+ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+ n+ переходе можно ожидать проявления квантово- механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля. Обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт- амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ диапазоне. Вольт амперная характеристика германиевого обращенного диода а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах
Слайд 2
Область применения
Основным свойством диода является то, что он хорошо пропускает ток в одну сторону, но почти не пропускает ток в другую сторону. С помощью нескольких диодов можно преобразовать переменный ток в постоянный, на котором работают большинство компактных электронных устройств
Слайд 3
Устройство диода
Диод представляет собой пластинку германия (c проводимостью p-типа) и индия (n – типа)
Слайд 5
Принцип работы
Таким образом, если к аноду (+) приложить положительное напряжение, а к катоду (-) ток будет легко проходить. Такое подключение называется положительным включением диода. При обратном включении диода (т.е. если к аноду (-), а к катоду (+) ток проходить не будет.
Слайд 7
Плоскостной диод Нетрудно видеть, что у такого диода площадь p-n перехода намного больше, чем у точечного. У мощных диодов эта площадь может достигать до 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их прямой ток намного больше, чем у точечных. Именно плоскостные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, как правило, не свыше нескольких десятков килогерц.
Слайд 2
Диод- электровакуумные или полупроводниковые приборы, которые пропускают переменный электрический ток только в одном направлении и имеют два контакта для включения в электрическую цепь.
Слайд 3
Диод имеет два контакта, которые называют анодом и катодом. При включении диода в электрическую цепь ток протекает от анода к катоду. Умение проводить ток только в одну сторону - основное свойство диода. Диоды относятся к классу полупроводников и считаются активными электронным компонентам (резисторы и конденсаторы - пассивными).
Слайд 4
Односторонняя проводимость диода является его основным свойством. Это свойство и определяет назначение диода: – преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование); – выпрямление переменного тока в постоянный Свойства диода
Слайд 5
Классификация диодов По исходному полупроводниковому материалу диоды делят на четыре группы: германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и фосфида индия. Германиевые диоды используются широко в транзисторных приемниках, так как имеют выше коэффициент передачи, чем кремниевые. Это связано с их большей проводимостью при небольшом напряжении (около 0,1…0,2 В) сигнала высокой частоты на входе детектора и сравнительно малом сопротивлении нагрузки (5…30 кОм). Полупроводниковые диоды
Слайд 6
По конструктивно-технологическому признаку различают диоды точечные и плоскостные. По назначению полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы: выпрямительные, универсальные, импульсные, варикапы, стабилитроны (опорные диоды), стабисторы, туннельные диоды, обращенные диоды, лавинно-пролетные (ЛПД), тиристоры, фотодиоды, светодиоды и оптроны.
Слайд 7
Диоды характеризуются такими основными электрическими параметрами: – током, проходящим через диод в прямом направлении (прямой ток Іпр); – током, проходящим через диод в обратном направлении (обратный ток Іобр); – наибольшим допустимым выпрямленным ТОКОМ выпр. макс; – наибольшим допустимым прямым током І пр.доп.; – прямым напряжением U n p ; – обратным напряжением и об Р; – наибольшим допустимым обратным напряжением и обр.макс – емкостью Сд между выводами диода; – габаритами и диапазоном рабочих температур
Слайд 8
При подключении диода в цепь должна быть соблюдена правильная полярность. Чтобы было легко определить расположение катода и анода, на корпус или на один из выводов диода наносят специальные метки. Встречаются различные способы маркировки диодов, но чаще всего на сторону корпуса, соответствующую катоду, наносят кольцевую полоску. Если маркировка диода отсутствует, то выводы полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительного прибора - диод пропускает ток только в одну сторону Работа диода
Слайд 9
Работу диода можно наглядно представить при помощи простого эксперимента. Если к диоду через маломощную лампу накаливания подключить батарею так, чтобы положительный вывод батареи был соединен с анодом, а отрицательный - с катодом диода, то в получившейся электрической цепи потечет ток и лампочка загорится. Максимальная величина этого тока зависит от сопротивления полупроводникового перехода диода и поданного на него постоянного напряжения. Данное состояние диода назвается открытым, ток, текущий через него, - прямым током I пр, а поданное на него напряжение, из-за которого диод оказался в открытым, - прямым напряжением U пр. Если выводы диода поменять местами, то лампа не будет светиться, так как диод будет находиться в закрытом состоянии и оказывать току в цепи сильное сопротивление. Стоит отметить, что небольшой ток через полупроводниковый переход диода в обратном направлении все же потечет, но в сравнении с прямым током будет настолько маленьким, что лампочка даже не среагирует. Такой ток называют обратым током I обр, а напряжение, создающее его,- обратным напряжением U обр.
10
Слайд 10
Маркировка диодов На корпусе диода обычно указывают материал полупроводника, из которого он изготовлен (буква или цифра), тип (буква), назначение или электрические свойства прибора (цифра), букву, соответствующую разновидности прибора, и дату изготовления, а также его условное обозначение. Условное обозначение диода (анод и катод) указывает, как нужно подключать диод на платах устройств. Диод имеет два вывода, один из которых катод (минус), а другой - анод (плюс). Условное графическое изображение на корпусе диода наносится в виде стрелки, указывающей прямое направление, если стрелки нет, то ставится знак « + ». На плоских выводах некоторых диодов (например, серии Д2) прямо вьіштамповано условное обозначение диода и его тип. При нанесении цветового кода, цветную метку, точку или полоску наносят ближе к аноду (рис. 2.1). Для некоторых типов диодов используется цветная маркировка в виде точек и полосок (табл. 2.1). Диоды старых типов, в частности точечные, выпускались в стеклянном оформлении и маркировались буквой « Д » с добавлением цифры и буквы, обозначающих подтип прибора. Германиево-индиевые плоскостные диоды имели обозначение « Д7 ».
11
Слайд 11
Система обозначений Система обозначений состоит из четырех элементов. Первый элемент (буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 - германий* К или 2 - кремний, А или 3 - арсенид галлия, И или 4 - фосфид индия. Второй элемент - буква, показывающая класс или группу диода. Третий элемент - число, определяющее назначение или электрические свойства диода. Четвертый элемент указывает порядковый номер технологической разработки диода и обозначается от А до Я. Например, диод КД202А расшифровывается: К - материал, кремний, Д - диод выпрямительный, 202 - назначение и номер разработки, А - разновидность; 2С920 - кремниевый стабилитрон большой мощности разновидности типа А; АИЗ01Б - фосфид-индиевый туннельный диод переключающей разновидности типа Б. Иногда встречаются диоды, обозначенные по устаревшим системам: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18. Диоды Д7 отличаются от диодов ДГ-Ц цельнометаллической конструкцией корпуса, вследствие чего они надежнее работают во влажной атмосфере. Германиевые диоды типа ДГ-Ц21…ДГ-Ц27 и близкие к ним по характеристикам диоды Д7А…Д7Ж обычно используют в выпрямителях для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока. В условное обозначение диода не всегда входят некоторые технические данные, поэтому их необходимо искать в справочниках по полупроводниковым приборам. Одним из исключений является обозначение для некоторых диодов с буквами КС или цифрой вместо К (например, 2С) - кремниевые стабилитроны и стабисторы. После этих обозначений стоит три цифры, если это первые цифры: 1 или 4, то взяв последние две цифры и разделив их на 10 получим напряжение стабилизации Uст. Например, КС107А - стабистор, Uст = 0,7 В, 2С133А - стабилитрон, Uст = 3,3 В. Если первая цифра 2 или 5, то последние две цифры показывают Uст, например, КС 213Б - Uст = 13 В, 2С 291А - 0Uст = 91 В, если цифра 6, то к последним двум цифрам нужно прибавить 100 В, например, КС 680А – Uст = 180 В.
12
Слайд 12
Структурная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: 1 - кристалл; 2 - выводы (токоподводы); 3 - электроды (омические контакты); 4 - плоскость р - n-перехода. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р - n-переходом: U - напряжение на диоде; I - ток через диод; U* oбр и I* oбр - максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; U cт - напряжение стабилизации.
13
Слайд 13
Малосигнальная (для низких уровней сигнала) эквивалентная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: r p-n - нелинейное сопротивление р - n-перехода; r б - сопротивление объёма полупроводника (базы диода); r yт - сопротивление поверхностных утечек; С Б - барьерная ёмкость р - n-перехода; С диф - диффузионная ёмкость, обусловленная накоплением подвижных зарядов в базе при прямом напряжении; С к - ёмкость корпуса; L к - индуктивность токоподводов; А и Б - выводы. Сплошной линией показано подключение элементов, относящихся к собственно р - n-переходу. Вольтамперные характеристики туннельного (1) и обращенного (2) диодов: U - напряжение на диоде; I - ток через диод
14
Слайд 14
Полупроводниковые диоды (внешний вид): 1 - выпрямительный диод; 2 - фотодиод; 3 - СВЧ диод; 4 и 5 - диодные матрицы; 6 - импульсный диод. Корпуса диодов: 1 и 2 - металло-стеклянные; 3 и 4 - металло-керамические; 5 - пластмассовый; 6 - стеклянный
15
Слайд 15
Диод Шоттки Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами. Стабилитрон / диод Зенера / Стабилитрон препятствует превышению напряжения выше определённого порога на конкретном участке схемы. Может выполнять как защитные так и ограничительные функции, работают они только в цепях постоянного тока. При подключении следует соблюдать полярность. Однотипные стабилитроны можно соединять последовательно для повышения стабилизируемого напряжения или образования делителя напряжений. Варикап Варикап (по другому емкостной диод) меняет своё сопротивление в зависимости от поданного на него напряжения. Применяется как управляемый конденсатор переменной емкости, например, для настройки высокочастотных колебательных контуров.
16
Слайд 16
Тиристор Тиристор имеет два устойчивых состояния: 1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости, 2) открытое, то есть состояние высокой проводимости. Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое. Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод - используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А и более, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ. Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках
17
Слайд 17
Светодиод диоды Генри Раунда Светодиод излучает свет при пропускании через него электрического тока. Светодиоды применяются в устройствах индикации приборов, в электронных компонентах (оптронах), сотовых телефонах для подсветки дисплея и клавиатуры, мощные светодиоды используют как источник света в фонарях и т.д. Светодиоды бывают разного цвета свечения, RGB и т.д.
18
Последний слайд презентации: Диод
Инфракрасный диод Инфракрасные светодиоды (сокращенно ИК диоды) излучают свет в инфракрасном диапазоне. Области применения инфракрасных светодиодов это оптические контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного управления, оптронные коммутационные устройства, беспроводные линии связи. Ик диоды обозначаются так же как и светодиоды. Инфракрасные диоды излучают свет вне видимого диапазона, свечение ИК диода можно увидеть и посмотреть например через камеру сотового телефона, данные диоды так же применяют в камерах видеонаблюдения, особенно на уличных камерах чтобы в темное время суток была видна картинка. Фотодиод Фотодиод преобразует свет попавший на его фоточувствительную область, в электрический ток, находит применение в преобразовании света в электрический сигнал.
Разделы: Физика , Конкурс «Презентация к уроку»
Презентация к уроку
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Урок в 10-м классе.
Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».
Цели:
- образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
- развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, познавательную активность;
- воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.
Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.
Ход урока
I. Организационный момент.
II. Изучение нового материала.
Слайд 1.
Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.
Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Слайд 3.
Механизм проводимости у полупроводников
Слайд 4.
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.
Собственная проводимость бывает двух видов:
Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)
При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.
Слайд 7.
2) дырочная (проводимость " p" – типа)
При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.
Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.
Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.
Полупроводники при наличии примесей
У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.
Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.
Существуют:
Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.
Например – мышьяк.
Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.
Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.
Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.
Слайд 13-16.
Электрические свойства "p-n" перехода
"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).
В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
Пропускной режим р-n перехода:
При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.
Запирающий режим р-n перехода :
Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковые диоды
Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.
– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!
Слайд 17–21.
При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.
Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.
Слайд 22–25.
Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.
В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).
При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.
Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).
Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.
Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.
Слайд 26–29.
III. Первичное закрепление.
- Какие вещества называются полупроводниками?
- Какую проводимость называют электронной?
- Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
- О каких примесях теперь вам известно?
- В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
- В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
- Какие полупроводниковые приборы вам известны?
- Где и для чего используют полупроводниковые приборы?
IV. Закрепление изученного
- Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
- Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).
https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Электронно-дырочный переход. Транзистор
Электронно-дырочный переход (или n – p -переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
При контакте двух полупроводников n - и p -типов начинается процесс диффузии: дырки из p -области переходят в n -область, а электроны, наоборот, из n -области в p -область. В результате в n -области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p -области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. На границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.
Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение U з, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.
В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно-дырочный переход равна нулю.
Если n – p -переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p -областью, а отрицательный с n -областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p -области и электроны из n -области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n – p -переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n – p -переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
Если полупроводник с n – p -переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n -областью, а отрицательный – с p -областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p -области и электроны в n -области будут смещаться от n – p -перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n – p -переход практически не идет. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p -области и дырок в n -области. Напряжение, поданное на n – p -переход в этом случае называют обратным.
Способность n – p -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости. Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n – p -переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p – n – p -транзисторы и n – p – n -транзисторы.
Германиевый транзистор p – n – p -типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n -типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью.
В транзисторе n – p – n -типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p -типа, а созданные на ней две области – проводимостью n -типа.
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера.
В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
Включение в цепь транзистора p – n – p -структуры Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток I э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n – p -переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток I к.
Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения, то на резисторе R , включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.
Однако, такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера I э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы I б = I э – I к. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.
В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.
Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см 2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов. Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в области электронной вычислительной техники. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:
