Полупроводниковый диод (p-n переход)
p-n переход или электронно-дырочный переход образуется при контакте полупроводников разного типа: p – типа (дырочного) и n-типа (электронного). В полупроводнике n-типа имеется избыток электронов, которые диффундируют в p-полупроводник, имеющий избыток положительных зарядов (дырок) (рис.2, а). Скапливаясь в результате диффузии около границы раздела, электроны образуют в p-полупроводнике отрицательный объемный заряд, а дырки в n- полупроводнике – положительный. Совокупность этих зарядов на границе раздела двух полупроводников создает запирающий слой – двойной электрический слой, поле которого препятствует дальнейшему диффузионному переносу носителей заряда. Заряд двойного слоя и глубина его проникновения устанавливаются так, что результирующие потоки электронов и дырок в отсутствии внешнего напряжения равны нулю.
Если включить p-n переход в цепь постоянного тока, причем отрицательный полюс подсоединить к n-полупроводнику (рис.2, а), то в n-полупроводнике, который потерял электроны в результате диффузии, будет создаваться их непрерывная «подкачка» и через запирающий слой пойдет электрический ток Iпр. Такое включение p-n перехода называется прямым. В этом случае толщина запирающего слоя резко уменьшается, а его сопротивление падает.
Если к n-полупроводнику подсоединить положительный полюс батареи, то электрический ток через запирающий слой не пойдет (рис.2, б). При таком включении в p-области накапливаются электроны, а в n-области – дырки, что способствует увеличению толщины запирающего слоя, а следовательно, и разности потенциалов в месте контакта двух полупроводников. Разность потенциалов запирающего слоя препятствует прохождению электрического тока, сопротивление p-n перехода резко возрастает, и ток через него будет очень малым Iобр. В этом случае включение p-n перехода называют обратным или запорным.
а) б)
Рис.2
Свойство p-n перехода резко изменять сопротивление при изменении полярности подключения используется для выпрямления переменных токов, т.к. ток, протекающий при запорном включении p-n перехода (обратный ток), во много тысяч раз меньше тока, протекающего при прямом включении (прямой ток).
Полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ перед ламповыми: малый вес, долговечность, механическую прочность, отсутствие затрат энергии на накал катода и т.д. Недостатком их является зависимость параметров от температуры и влажности.
Физические основы работы транзистора
Транзистор или полупроводниковый триод имеет два p-n перехода. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p – транзисторы (рис.3, а) и n-p-n – транзисторы (рис.3, б). Физические процессы, протекающие в обоих типах транзисторов, аналогичны. Средняя часть транзистора называется базой Б и выполняет роль сетки, крайние части называются эмиттером Э и коллектором К, причем эмиттер играет роль катода, а коллектор – анода.
а) б)
Рис.3
Рассмотрим физические основы действия транзисторов на примере транзистора p-n-p – типа.
Внешние источники
постоянного тока подключаются к
транзистору таким образом, чтобы переход
эмиттер – база работал в прямом
направлении (рис.4) (напряжение
),
а переход база – коллектор – в обратном
(напряжение
).
При таком включении источников напряжения
через эмиттерный переход идет прямой
ток, образованный потоком дырок из
эмиттера в базу
и встречным потоком электронов
:
.
Так как концентрация дырок в эмиттере во много раз больше концентрации электронов в базе, то . Следовательно, эмиттерный ток обусловлен в основном переходом дырок в область базы и
.
Обычно при
изготовлении транзисторов область
базы делают очень тонкой (около 20 мкм),
поэтому большинство дырок свободно
проходит на коллектор. Напряжение на
коллекторном переходе
является для дырок ускоряющим,
следовательно, коллекторный ток
увеличивается.
Малая часть дырок,
попав в базу, рекомбинирует (соединяется)
с электронами, образуя ток базы
.
Таким образом, коллекторный ток
образуется потоком дырок, перешедших
из эмиттера в базу и не участвующих в
процессе рекомбинации, т.е.
.
(1)
Из формулы (1) видно, что сила коллекторного тока зависит от силы эмиттерного тока. Свойство транзистора создавать большой ток в цепи коллектора при небольших изменениях силы тока в цепи базы позволяет использовать его в качестве усилителя тока и напряжения.
Описанная схема включения транзистора называется схемой с общей базой, так как база в этом случае является общим электродом для входной и выходной цепей транзистора.
Существуют также схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором. В схеме с общим эмиттером (рис.5) входное напряжение подается между эмиттером и базой, а источник питания коллектора включается между эмиттером и коллектором. В этом случае входным током является малый ток базы, а выходным – ток коллектора.
|
|
Рис.4 |
Рис.5 |
