книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

Рассмотрев особые свойства полупроводников, обус­ ловливающие возможность создания полупроводнико­ вых приборов, познакомимся с основными типами полу­ проводниковых приборов.

1р--n

пе р е х о д

тока к электронно-дырочному переходу:

а — электрическое поле источника усиливает поле перехода {ток

§2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды

1.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ

Действие полупроводниковых диодов основано на односторонней проводимости электронно-дырочного пе­ рехода. Физические процессы, происходящие в электрон­ но-дырочном переходе (р-п переходе), были рассмотре­ ны выше. Полупроводниковые диоды изготовляются в основном из германия или кремния. По своей конструк­

пластинки германия, обладающей электронной проводи­

140

мостью, на поверхность которой наносится методом вплавления индий. Атомы расплавленного индия, про­ никнув в пластинку германия, образуют слой с дыроч­ ной проводимостью р. На границе этого слоя и герма­ ния образуется р-п переход (рис. III.6, б). Германий припаивается к металлическому корпусу диода, а вывод от индия изолируется от корпуса.

Устройство т о ч е ч н о г о германиевого диода по­ казано на рис. III.6, в. Точечный диод состоит из пла­ стинки германия с электронной проводимостью, к кото­ рой приваривается вольфрамовая проволока. Электрон­ но-дырочный переход образуется в месте контакта вольфрамовой проволоки и германия. Диаметр контакта измеряется микронами.

Устройство плоскостных и точечных диодов во мно­ гом предопределяет их назначение. Плоскостные диоды имеют сравнительно большую поверхность р-п перехода, поэтому они в основном применяются для выпрямле­ ния больших по величине переменных токов. Большая собственная емкость плоскостных диодов, обусловлен­ ная большой поверхностью переходов, не позволяет использовать их для выпрямления токов высокой ча­ стоты.

Точечные диоды имеют меньшую поверхность, а сле­ довательно', и меньшую емкость переходов и поэтому применяются для выпрямления небольших токов, глав­ ным образом для детектирования сигналов высокой ча­ стоты.

Кремниевые диоды также изготовляются плоскост­ ными и точечными. Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми имеют следующие преимущества:

—могут работать при температурах до 200°С (гер­ маниевые до 70°С);

—имеют значительно меньшие обратные токи;

—допускают более высокие обратные напряжения;

—изменения температуры меньше влияют на вели­ чину тока прямого направления;

—имеют меньший разброс параметров.

Одним из основных недостатков кремниевых диодов по сравнению с германиевыми является большее паде­ ние напряжения на них при токе прямого направ­ ления.

141

+■

в

Рис. IH.6. Устройство полупроводниковых диодов:

142

(П р ям о й т ок)

300

т

500

I с р . о б р , ма

(Обратный ток)

Рис. III.7. Вольт-амперные характеристики полу­ проводниковых диодов:

а — германиевого; б «—кремниевого

Вольт-амперные характеристики диодов при различ­

ристик видно, что от характеристик лампового диода они отличаются наличием обратных токов, большей кру­ тизной и зависимостью от температуры.

(значение тока через диод в обратном направлении при приложении к нему наибольшего обратного напря­ жения);

— наибольшее значение обратного напряжения U0бр (то наибольшее обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без вреда для него);

— пробивное напряжение Unроб (напряжение на ди­ оде, при котором ток резко возрастает и диод разру­ шается).

Для диодов, предназначенных для работы на сверх­ высоких частотах, необходимо учитывать и другие па­ раметры, как, например, проходную емкость СПр, коэф­ фициент шума Fm, добротность QA и др.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковые диоды широко применяются в самой различной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока, детекторов, смесителей, конденсато­ ров, стабилизаторов напряжения, переключающих устройств, автоматических пультов и т. д. Во многих случаях полупроводниковые диоды успешно заменяют ламповые диоды, так как имеют по сравнению с ними следующие преимущества:

— значительно меньшие размеры и вес;

— высокую механическую прочность и большой срок службы;

144

— меньшую потребляемую мощность, высокий

к.п. д. и низкое напряжение питания;

—мгновенную готовность к работе;

—более высокую надежность;

—удобство монтажа;

—меньшую межэлектродную емкость.

Однако некоторые недостатки полупроводниковых диодов не дают пока возможности полностью заменить ими ламповые диоды.

К основным недостаткам полупроводниковых диодов

с мощностью, температурным режимом работы и назна­

имеющих различные параметры, определяется большим количеством видов различной по назначению аппара­ туры, в которой используются диоды.

Рис. Ш.8. Внешний вид некоторых полупроводниковых диодов

Н 5

Так, например.

—диод Д9 является высокочастотным диодом, предназначенным для использования в схемах детекти­ рования высокочастотных сигналов- и сигналов проме­ жуточной частоты (до 150 Мгц)\

—диоды Д302—Д305 являются мощными выпрями­ тельными диодами;

—.диоды Д 1004—Д1010 являются высоковольтными выпрямительными диодами;

—диоды Д107—Д109, Д223 предназначены для ис­ пользования в радиотехнических и измерительных устройствах;

—диоды Д225 предназначены для работы в схемах электронных вычислительных машин;

—диоды Д18, Д19, Д219, Д220 предназначены для использования в качестве ключевых элементов в им­ пульсных схемах при малых длительностях импульсов (микросекунды и доли микросекунды);

—диоды Д808—Д814 являются стабилизаторами на­ пряжения.

Изготовляются также диоды сложной конструкции, например переключающие диоды (Д227, Д228) со структурой р-п-р-п типа, или так называемые туннель­ ные диоды, предназначенные для использования в ра­ диотехнических устройствах, системах автоматики и даже в схемах усиления и генерирования колебаний. Области использования таких диодов определяются их особыми свойствами, дающими возможность получить сложные зависимости токов от напряжений.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена на рис. III.9.

І.л»ка

Рис. ІН.9. Вольт-амперная характери­ стика туннельного диода

146

Туннельный диод является одним из важнейших до­ стижений в полупроводниковой технике. Помимо указан­ ных свойств, он обладает и рядом других преимуществ перед полупроводниковыми приборами: низким уровнем шумов, исключительно малыми размерами и весом, способностью работать в широком диапазоне темпера­ тур (от —200° до +400° С) и на очень высоких частотах (до нескольких сот тысяч мегагерц).

Область применения полупроводниковых диодов с каждым годом расширяется. За последние годы на базе полупроводниковых диодов созданы такие устройства, как, например, полупроводниковые лазеры (оптические квантовые генераторы), полупроводниковые параметри­ ческие усилители и т. д.

§ 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ (ТРАНЗИСТОРЫ)

1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Полупроводниковыми триодами (транзисторами) на­ зываются полупроводниковые приборы, способные уси­ ливать или генерировать электрические колебания.

Транзисторы представляют собой полупроводнико­ вые устройства, состоящие из трех областей с опреде­ ленными типами проводимости, на границах которых

ладают проводимостью одного типа, противоположной проводимости средней области. В зависимости от ха­ рактера проводимости областей транзисторов их назы­ вают транзисторами р-п-р типа или п-р-п типа. Физи­ ческие процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны. Область транзисторов, испускающая

стям припаиваются выводы, с помощью которых тран­ зисторы включаются в схемы.

147

Если провести аналогию между транзистором и электронной лампой, то эмиттер транзистора можно представить как катод лампы, коллектор транзисто­ р а — как анод лампы и базу транзистора — как управ­ ляющую сетку лампы.

Однако следует иметь в виду, что принцип работы транзисторов существенно отличается от принципа ра­ боты электронной лампы. В основе работы электрова­ куумных приборов лежит взаимодействие свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме. Для обеспечения выхода электронов в вакуум необходимо нагревать катоды ламп до 700—800° С, за­ трачивая большое количество энергии. Работа радио­ ламп обеспечивается только при значительных напря­ жениях на их электродах.

В транзисторах используются носители зарядов — электроны и «дырки», которые имеются в полупровод­ никах даже при низких (отрицательных) температурах. Поэтому полупроводниковые приборы могут работать без подогрева в широком диапазоне температур. Для обеспечения работы полупроводниковых приборов тре­ буются небольшие напряжения и токи.

Физические процессы, протекающие в транзисторе, рассмотрим на примере наиболее широко распростра­ ненного плоскостного триода р-п-р типа.

Устройство транзистора представлено на рис. ШЛО, б. Структуру р-п-р проводимости получают вплавлением индиевых таблеток в пластину электронного гер­

мания (рис. ШЛО, в).

Чтобы лучше понять физические процессы, происхо­ дящие в транзисторе, представим его как устройство, состоящее из двух полупроводниковых диодов, имеющих одну общую область — базу, причем ток одного из дио­ дов (эмиттер—база) управляет током другого диода (база—коллектор). На управляемый диод (база—кол­ лектор) подается запирающее напряжение UK. В цепь

ный ток диода /ко, обусловленный наличием в областях неосновных носителей. Ток же через переход управляю­ щего диода равен нулю, т. к. при отсутствии на,пряже­

1 4 8

ния на диоде встречные токи — ток диффузии и ток про­ водимости, протекающие через его переход, равны.

Рис. II 1.10. Устройство транзистора:

диода выбирается таким образом, чтобы количество свободных «дырок» в единице объема p-области значи­ тельно превосходило количество свободных электронов в единице объема «-области. Поэтому можно считать, что носителями прямого тока через переход будут являться «дырки», перемещающиеся под действием электрического поля в общуюдля обоих диодов

149