Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами действие которого основано на использовании свойств односторонней проводимости р—n-перехода. Основными материалами для современных диодов служат германий и кремний.
По конструкции германиевые и кремниевые диоды делятся на точечные и плоскостные.
Точечный диод (рис. 21, а) состоит из стеклянного или металлического корпуса 1, в который помещены кристалл германия с n-проводимостью 2 и вольфрамовая проволочка 3, упирающаяся своим острием в этот кристалл. В результате специальной обработки под вольфрамовым острием создается область с р-проводимостью.
Точечные диоды имеют незначительную площадь запорного слоя и рассчитаны на малый рабочий ток.
У плоскостного диода (рис. 21, б) р —n-переход образуется вплавлением в кристалл германия n-типа 1 примеси индия 2.
Большая площадь р—n-перехода дает возможность использовать плоскостные диоды в установках со значительными токами.
Диоды, изготовленные на основе кремния, принципиально не отличаются от германиевых. Контактный р —n-переход создается сплавлением кремния с металлической, например алюминиевой пластинкой. По сравнению с германием кремний способен выдерживать более высокую температуру без нарушения полупроводниковых свойств . поэтому в кремниевых диодах допускается высокая плотность тока — до 200—300 А на один квадратный сантиметр поверхности р —n-перехода. При работе таких диодов выделяется довольно большое количество тепла, которое отводится с помощью радиаторов.
|
|
Обозначение диодов на схемах приведено на рис. 21, в.
Рис. 21. Устройство полупроводниковых диодов:
а — точечного . б — плоскостного . в — условное обозначение.
Тиристоры
Как известно, обычные полупроводниковые приборы используются для выпрямления переменного тока в постоянный благодаря их вентильному свойству. Рассматривая это свойство, мы говорили, что диод начинает пропускать ток, как только к нему будет приложено напряжение в прямом направлении, причем ток будет проходить через диод независимо от величины напряжения. При обратной полярности источника тока обычный диод запирается и через него течет очень малый обратный ток.
Рис. 22. Тиристор:
а — неуправляемый . б — управляемый.
Сравнительно недавно были созданы специальные полупроводниковые приборы, устройство и принцип действия которых совершенно отличаются от обычных диодов. Они получили название тиристоров.
Тиристор — это полупроводниковый прибор структуры р — п — р — п, содержащий три р —n-перехода (рис. 22, а). Если подключить такой прибор к источнику электроэнергии, то при любой полярности включения через него будет проходить лишь небольшой обратный ток Ioбр, т. е. тиристор будет заперт, ибо по крайней мере один из р —п-переходов окажется включенным в обратном направлении. Теперь подключим тиристор так, чтобы на зажим А был подан минус, а на зажим Б — плюс источника. При малых напряжениях прибор остается запертым, так как один из трех р —n-переходов, а именно переход П2, оказывается включенным в обратном направлении. Если теперь постепенно увеличивать напряжение, то при каком-то его значении электроны и дырки, находящиеся в тонком слое П2, разрывают одну из валентных связей кремния, находящегося в области перехода. Образовавшаяся при этом пара свободных зарядов — электрон и дырка — под действием напряжения разрывают еще две связи, в результате чего появляются уже две пары свободных зарядов, затем 4, 8 и т. д. пар. Подобное явление можно сравнить с ударной ионизацией газа: в переходе П2 возникает ионизация, количество свободных зарядов лавинообразно возрастает и происходит так называемый лавинный пробой перехода. При этом тиристор начинает свободно проводить ток от зажима Б к зажиму А. Таким образом, главное отличие тиристора от полупроводникового диода заключается в том, что он начинает проводить ток не при любом, а лишь при определенном, достаточно большом напряжении. В этом отношении работа тиристора во многом схожа с работой газотрона, который, как известно, начинает работать только в том случае, если напряжение на нем достигает напряжения зажигания.
|
|
Однако приводить в действие тиристор резким повышением напряжения не всегда удобно, поэтому созданы специальные конструкции тиристоров, которые могут начинать работу при любой величине приложенного напряжения. Такие тиристоры называются управляемыми.
Управляемый тиристор (рис. 22, б), кроме выводов А и Б, имеет еще один дополнительный вывод В, который подключен к средней n-области. Работа управляемого тиристора подобна работе неуправляемого, но здесь момент отпирания прибора зависит от величины напряжения управления, которое подается к зажимам В и Б. Теперь для начала работы тиристора нет необходимости повышать напряжение на выводах А и Б, а достаточно подать небольшое напряжение Uупр. Чем больше величина управляющего напряжения, тем при меньших напряжениях источника начинает работать тиристор. Таким образом, изменяя величину управляющего напряжения, можно регулировать момент включения прибора. По принципу действия тиристор можно сравнить с тиратроном, у которого момент зажигания регулируется величиной потенциала, подаваемого на сетку.
Так же как и тиратроны, управляемые тиристоры применяются в схемах выпрямителей, позволяющих регулировать величину выпрямленного напряжения. К достоинствам тиристоров можно отнести малое внутреннее сопротивление, большой рабочий ток и очень высокий КПД.
Транзисторы
Транзистор — это полупроводниковый триод, состоящий из двух р —n-переходов.
Транзисторы, так же как и полупроводниковые диоды, могут быть плоскостными и точечными . в настоящее время наиболее распространены плоскостные транзисторы.
В металлическом герметическом корпусе 1 плоскостного транзистора (рис. 23, а) с помощью держателя 2 закреплен в вертикальном положении кристалл германия 3 с n-проводимостью, который является базой транзистора. Основание имеет электрический кон-такт с корпусом, к которому приварен контактный проводник О — вывод базы. На противоположных гранях кристалла созданы области с р-проводимостью. Одна область является электродом управляющей цепи и называется эмиттером (вывод Э), а вторая область служит электродом управляемой цепи и называется коллектором (вывод К). Таким образом, транзистор имеет две области с дырочной проводимостью, разделенные областью с электронной проводимостью. Существуют также транзисторы типа п — р — п, у которых эмиттер и коллектор имеют n-проводимость, а основание — р-проводимость (рис. 23, б). Рассмотрим принцип работы транзистора типа n— р—п. Подключим к р— n-переходу, образованному основанием и коллектором, источник постоянного тока Ек (рис. 24), причем положительный полюс источника подключим к коллектору, а отрицательный — к базе. В этом случае между коллектором и базой потечет весьма незначительный ток Ioбр, обусловленный неосновными носителями зарядов. Прямой же ток Iпр будет отсутствовать, так как источник включен в обратном направлении.
|
|
Рис. 23. Устройство транзистора: с — типа р — п — р . б —типа п — р — п.
Если теперь к левому р —n-переходу, образованному эмиттером и основанием, подключить источник Еэ с соблюдением полярности, указанной на рисунке, то между эмиттером и базой потечет ток. Запорный слой эмиттерного р —n-перехода при таком включении источника Еэ имеет малое сопротивление, что определяет перемещение электронов из n — области в очень узкую (4—5 мкм) p-область базы. Здесь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками, а основное количество (98—99%), попадая в сферу действия большого напряжения источника Ек, преодолевает сопротивление р —n-перехода и попадает в коллектор.
Рис. 24. Включение п — р — n-перехода.
Можно считать, что ток эмиттерного перехода Iэ и ток коллекторного перехода I к равны по величине. При этом любому изменению тока эмиттера будут соответствовать точно такие же изменения тока коллектора. Так как сопротивление эмиттерного р —n-перехода незначительно, то для создания эмиттерного тока достаточно разности потенциалов в несколько десятых долей вольта. В то же время источник Ек подключен к коллекторному р —n-переходу в обратном направлении и сопротивление этого перехода достигает нескольких мегом. Поэтому для создания коллекторного тока источник Ек должен иметь значительно большее напряжение, чем источник Еэ (до нескольких десятков вольт).
|
|
Учитывая, что токи эмиттерного и коллекторного и переходов примерно равны по величине, а напряжение на эмиттерном переходе значительно меньше, чем на коллекторном, можно сделать важный вывод, что мощность коллекторной цепи будет во много раз большей, чем эмиттерной. Поэтому рассмотренный транзистор является усилителем мощности.
Принцип работы транзисторов типа р —n— р аналогичен. Разница состоит в том, что основными носителями зарядов являются не электроны, а дырки.
Наша промышленность выпускает обширный ассортимент транзисторов разных типов, предназначенных для усиления, генерирования или преобразования электрических колебаний. Конструкция транзисторов в зависимости от их габаритов, назначения, условий эксплуатации может быть различной, но в основе работы большинства из них лежит описанный выше принцип.
ВЫПРЯМИТЕЛИ