Уроки 43-44. Напівпровідниковий терморезистор, діод. Транзистори, тиристори.
Напівпровідниковий терморезистор — це резистор, виготовлений з напівпровідникового матеріалу, опір якого залежить від температури. Розрізняють два типи терморезисторів: термістор, опір якого зі збільшенням температури зменшується, і позистор, у якого опір збільшується зі збільшенням температури. Для виготовлення термісторів використовуються напівпровідники з електронною провідністю, як правило, оксиди металів і суміші оксидів. Конструктивно термістори виготовляють у вигляді дисків, кульок, шайб.
Температурна характеристика терморезистора — це залежність опору терморезистора R від температури. Для більшості напівпровідників у широкому інтервалі температур залежність електричного опору терморезистора від температури виражається експоненціальним законом:
R = а*ехр (b/Т ),
де а — коефіцієнт, який залежить від конструктивних розмірів і матеріалу; b — коефіцієнт, який залежить від концентрації домішок у напівпровіднику; Т — абсолютна температура. Основним параметром, який характеризує роботу терморезистора, є температурний коефіцієнт опору
який виражає процентну зміну опору терморезистора від зміни температури. Вольт-амперна характеристика термістора — це залежність напруги на термісторі від струму в умовах теплової рівноваги між термістором і довкіллям.
На рис. 10.8 показані статичні вольт-амперні характеристики термісторів. Лінійність характеристики для малих струмів і напруг пояснюється тим, що теплова енергія, яка виділяється у термісторі, недостатня для істотної зміни його температури. Термістори застосовуються як первинні вимірювальні перетворювачі температури у вимірювальних пристроях. Термістори доцільно застосовувати там, де необхідно виміряти температуру малих об’єктів. Наприклад, у біології за допомогою термістора, змонтованого на кінчику голки, можна вимірювати температуру внутрішніх органів живого організму. Терморезистори застосовуються в системах регулювання температури, теплового захисту, протипожежної сигналізації.
Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним р—n-переходом і двома виводами (рис. 10.9).
Класифікують діоди за такими ознаками:
основним напівпровідниковим матеріалом: кремнійові, германієві, арсенид-галієві;
фізичною природою процесів: фотодіоди, світлодіоди та ін.;
призначенням: випрямні, імпульсні, стабілітрони;
технологією виготовлення: сплавні, дифузійні та ін.;
типом переходу: точкові і площинні.
На електричних схемах напівпровідниковий діод зображається так, як показано на рисунку 10.9 і позначається VD. Найважливішою характеристикою діода, яка наочно ілюструє його властивості, є його вольт-амперна характеристика. Якщо до р—n-переходу прикласти напругу у прямому напрямі (рис. 10.10),
діод відкриється і виникне відносно великий струм. Залежність між прямою напругою і прямим струмом зображається прямою віткою вольт-амперної характеристики. Пряма напруга на діоді становить близько 0,7 В для кремнієвого і близько 0,3 В для германієвого діодів. Якщо прикласти напругу зворотної полярності Vзв, то діод закривається і в ньому спостерігається дуже малий зворотний струм ІЗВ. Цей струм майже не залежить від зворотної напруги, що зображається зворотною віткою вольт-амперної характеристики. Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий струм однієї полярності в некерованих випрямлячах, в яких використовується властивість однобічної провідності діода.
Стабілітрон — це напівпровідниковий діод (рис. 10.11), принцип роботи якого ґрунтується на тому, що зворотна напруга на р—n-переході в діапазоні електричного пробою майже не змінюється у разі значної зміни струму. На електронних схемах стабілітрон зображується так, як показано на рисунку 10.11, а.
Явище електричного пробою р—n-переходу полягає в тому, що у випадку збільшення зворотної напруги на р—n-переході до деякого значення UСТ неосновні носії заряду набувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У р—n-переході починається лавиноподібна генерація носіїв заряду — електронів і дірок, що спричиняє різке зростання зворотного струму через р—n-перехід за умови майже незмінної зворотної напруги. Робочою ділянкою є ділянка зворотної вітки характеристики р—n-переходу (ab на рис. 10.11). До джерела напруги стабілітрон вмикається у зворотному напрямі послідовно з баластним резистором RБ, який призначений для обмеження струму у колі (рис. 10.12).
Стабілітрони застосовуються у схемах стабілізаторів напруги і струму, у стабілізованих джерелах напруги, а також для побудови обмежувачів напруги. Варикапи — напівпровідникові діоди (рис. 10.13), в яких використовується бар’єрна ємність закритого р—n-переходу, значення якої залежить від прикладеної до діода зворотної напруги. Основною характеристикою варикапа є його вольт-фарадна характеристика
тобто залежність ємності варикапа від прикладеної зворотної напруги. Варикапи застосовуються в радіоприймачах, системах дистанційного керування для автоматичного налаштування частоти електричним способом.
Транзистор.
Транзистор (англ. transfer — «переносити» і англ. resistance — «опір») — напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дозволяє керувати струмом, що протікає крізь нього, за допомогою зміни вхідної напруги або струму, поданих на базу, або інший електрод. Невелика зміна вхідних величин, може призводити до суттєво більшої зміни вихідної напруги та струму. Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах. У мікросхемах в єдиний функціональний блок об'єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів. На принципових електричних схемах, транзистори біля умовних графічних позначень додатково позначають літерно-цифровими позначками, що складаються з дволітерного коду VT та числа-порядкового номера елемента у схемі, наприклад: VT1, VT24 тощо. За будовою та принципом дії, транзистори поділяють на два великі класи: біполярні транзистори (БТ) й польові транзистори (ПТ). До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.
Транзистор носить назву «біполярний» (англ. Bipolar Junction Transistor, BJT) оскільки у його роботі одночасно беруть участь два типи носіїв заряду — негативні (електрони) та позитивні (дірки) електричні заряди. Цим він відрізняється від уніполярного (польового) транзистора, в роботі якого, бере участь лише один тип носіїв заряду. В біполярному транзисторі носії заряду рухаються від емітера через тонкий шар бази до колектора. База відділена від емітера й колектора p-n переходами. Струм протікає крізь транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються з емітера до бази через p-n перехід. В базі вони є неосновними носіями заряду й легко проникають через інший p-n перехід між базою й колектором, та пришвидшуються при цьому. В самій базі, носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база повинна бути досить тонкою. Управління струмом між емітером і колектором здійснюється зміною напруги між базою і емітером, від якої залежать умови інжекції носіїв заряду в базу.
Польовий (уніполярний) транзистор (англ. Field Effect Transistor, FET) — транзистор, у якому сила струму, що протікає крізь нього, керується зовнішнім електричним полем, тобто напругою. Це є принциповою різницею між ним і біполярним транзистором, де сила струму у вихідному колі, регулюється струмом керування. В польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровіднику в проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду, й вона не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує область збіднення, в якій теж немає носіїв заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Таким чином ширину каналу обмежено простором між підкладкою та областю збіднення. Прикладена до затвора напруга, збільшує чи зменшує ширину області збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.
Тиристори бувають з двома виводами і мають назву діодні тиристори , або динистори, з трьома виводами — тріодні тиристори, або тринистори. Тиристори застосовуються у керованих випрямлячах змінного струму, у різних пристроях автоматики. На рисунку 10.28 наведено умовні зображення динистора (рис. 10.28, а) і тринистора з керуванням по аноду (рис. 10.28, б) та катоду (рис. 10.28, в). На електричних схемах тиристор позначається латинськими літерами VS.
Будова тиристорів показана на рис. 4. Тиристор складається з чотирьох напівпровідникових (шарів), які з'єднані послідовно і відрізняються типами провідності: p-n-p-n. p‑n‑переходи, — переходи між провідниками, — на рисунку позначені як «J1», «J2» і «J3». Електрод під'єднаний до зовнішнього p-шару називається анодом, до зовнішнього n-шару — катодом. У загальному випадку, p-n-p-n-прилад може мати до двох керуючих електродів (баз), під'єднаних до внутрішніх шарів. Подачею сигналу на керуючий електрод здійснюється управління тиристором (зміна його стану).
