3.3. Напівпровідникові прилади

Напівпровідникові прилади дуже широко використовують в сучасній побутовій радіоелектронній апаратурі завдяки малим габаритам ^та масі, значним термінам використання, високій механічній міцності та економічності. Обумовлено це відсутністю витрат ейергії на розігрівання катода, характерних для електронних ламп.

Напівпровідниками називають речовини, які характеризуються значеннями електропровідності, проміжними поміж електропровідністю металів (10⁸ -10⁶ Ом'¹, м"¹) і діелектриків (10"⁸- 10"¹⁰Ом^-1. м'¹)

Напівпровідникові прилади - це прилади, дія яких базується на використанні властивостей напівпровідників.

До напівпровідникових приладів відносяться діоди, транзистори, напівпровідникові мікросхеми, комбіновані напівпро­відникові прилади тощо.

Основними матеріалами для виготовлення напівпровідникових приладів є такі хімічні елементи, як кремній, германій, бор, фосфор, селен, сірка, арсенід галію та ін. Порівняно з провідниками вони значно слабше проводять електричний струм, але краще ніж

діелектрики.

Дуже часто для виготовлення напівпровідникових приладів використовують германій і кремній. Це елементи IV групи таблиці Д.І. Менделєєва. Вони мають правильну кристалічну структуру та досить велику чистоту. При температурі абсолютного нуля германію притаманні властивості діелектрика. При цьому кожен атом кристалу оточений чотирма сусідніми, з якими його пов'язує вісім електронів: чотири власних і по одному від кожного сусіднього атома. Кожен атом - електронейтральний. Надаючи електронам кристалів додаткової енергії (підвищенням температури), електрони можуть відриватися від атомів і вільно переміщатися в кристалі. На місці переміщеного електрона утворюється незаповнений ковалентний зв'язок, який називають діркою. Ковалентний або атомний зв'язок - це хімічний зв'язок однойменно заряджених частинок, обумовлений наявністю електронних пар. Електровалентний зв'язок утворюється за допомогою електростатичного притягання поміж різнойменно зарядженими іонами.

Таким чином, при відриві електрона від атома утворюється дірка, яка може бути заповнена електроном, який відірвався від сусіднього атома. А тому, завдяки рухові електрона, дірка переміститься на нове місце. За наявності зовнішнього поля рух електронів і дірок є упорядкованим. При цьому електрони і дірки рухаються в протилежних напрямах. Провідність германію може значно збіль­шитися за рахунок наявності невеликої кількості домішок. При цьому можна одержати напівпровідники двох типів провідності.

Якщо домішкою є п'ятивалентний елемент, то чотиривалентні електрони атома домішки вступають в парні електронні зв'язки і чотирма атомами германію або кремнію, а п'ятий електрон стиг зайвим, слабо пов'язаним із своїм атомом. Найменшого теплового впливу достатньо для того, щоб він відірвався від атома і стан електроном провідності. Таким чином, добавлені п'ятивалентні домішл5 називають донорніши (такими, що віддають електрони). У напівпровідникові вони утворюють електронну провідність чи рахунок надлишХОвих електронів. Атом донора при цьому стає позитивним іоном, але немає можливості рухатися.

Якщо прибавити тривалентні домішки, то кожний ії атом своїми трьома валентними електронами вступає в ковалентні зв'язки '! трьома сусідніми атомами германію або кремнію. Для зв'язку ч четвертим атомом не вистачає одного електрона, який може бути одержаним за рахунок розриву ковалентного зв'язку в сусіднього атома германію або кремнію з утворенням там дірки. Домішку тривалентних атомів називають акцепторною тобто такою, яка приймає електрони. При цьому за рахунок надлишкових дірок утворюється діркова провідність. Домішковий атом (атом акцептора) стає від'ємним іоном, який немає можливості рухатися.

Напівпровідники з електронною провідністю називаються провідниками типу п (від лат. пе^аііуиз - негативний), з дірковою провідністю - провідниками типу р (від лат. ровіїіуш - позитивний).

Контакт напівпровідників з різними типами електропровідності називають р-п або п-р-перехід (див. рис. 5). Основною властивістю р-п переходу є його однобічна провідність.

Рис. 5. Напівпровідник з двома областями р-типу та п-типу

Класифікація і асортимент напівпровідникових приладів

Діоди - це напівпровідники, які пропускають струм в одному напрямі й складаються із двох напівпровідників з різними типами провідності

За призначеннями вони бувають: випрямні, імпульсні, універ­сальні, стабілітрони, високочастотні, надвисокочастотні, варикапи, тунельні та ін.

Варикапи - це діоди, в яких використовують залежність ємності р-п-переходу від зворотної напруги. Змінюючи величину зворотної напруги можна керувати шириною р-п-переходу, з відповідною ємністю. Варикапи застосовують замість конденсаторів змінної ємності в радіоприймачах, тюнерах і телевізорах.

Випрямні діоди призначені для випрямлення змінного струму в постійний

Стабілітрони - це спеціальні діоди, які застосовуються у вирівнювальних пристроях для автоматичної стабілізації випрямленої напруги. їх дія грунтується на постійності напруги після електричного пробою р-п-переходу при зміні струму діода.

Принцип дії тунельних діодів базується на тунельному ефекті. Суть його полягає в тому, що електрон, який має енергію, меншу від висоти потенціального бар'єра, може за певних умов проникнути крізь нього, проходячи немовби через своєрідний тунель, без зміни своєї енергії. Тунельні діоди використовують як активні елементи в різних радіотехнічних пристроях: підсилювачах, генераторах, змішувачах, а також у різних імпульсних пристроях.

За вихідним напівпровідниковим матеріалом діоди бувають германієві, кремнієві та арсенід галієві тощо.

За конструкцією - точкові та площинні.

Транзистор - це напівпровідниковий прилад, який має два чи більше р-п-переходи, три та більше виводи та призначений для підсилення електричних сигналів

Транзистори поділяються на біполярні та польові (пив і™р і л*

Рис. 6. Класифікація транзисторів

Біполярні транзистори мають тришарову структуру з переміжними типами електропровідності. Розрізняють також прямі (р-п-р) та зворотні (п-р-п) транзистори.

Все більшого використання у побутовій радіоелектронній апаратурі набувають польові транзистори, в яких регулювання струмом, що створюється спрямованим рухом носіїв одного типу (електронами чи дірками) між двома електродами, досягається за допомогою напруги електричного поля, підведеної до третього електрода.

Транзистори знаходять широке використання в радіоелектроніці, їх використовують для підсилення, генерації та перетворення електричних сигналів. Класифікація транзисторів.

За потужністю транзистори поділяються на транзистори малої, середньої і великої потужності. За частотою бувають низько­частотні, середньочастотні, високочастотні та надвисокочастотні. За матеріалом виготовлення транзистори поділяються на кремнієві та германієві.

Тиристор - це напівпровідниковий прилад, який має три або більше р-п-переходів і працює у двох стійких станах - відкритому і закритому

Тиристор конструктивно являє собою чотиришарову структуру типу р-п- р-п, яка складається з трьох електронно-діркових переходів (ПІ, П2 і ПЗ)

• При подачі на тиристор прямої напруги крайні електронно-Ідіркові переходи Ш і ПЗ змішуються у прямому, а середній перехід і'ГО - у зворотному напрямі. Відповідно переходи ПІ і ПЗ - емітерні, а і П2 - є колекторним. Використовують тиристори як швидкодіючі і перемикачі.

| Класифікують тиристори за різними ознаками. За кількістю

'■ зовнішніх виводів тиристори поділяються на діодні - два виводи;

; триодні - три виводи і тетродні - чотири виводи. За способом

проводити струм в одному або двох напрямках тиристори

поділяються на однопровідні та симетричні. За потужністю

тиристори бувають малої, середньої потужності й силові.

Скорочене позначення напівпровідників.

Сучасна система скороченого позначення напівпровідників складається з чотирьох елементів.

Перший елемент - літера чи цифра - характеризує вид вихідного матеріалу приладу: Г чи 1 - германій, К чи 2 - кремній, А чи 3 - арсенід галію та ін.

Другий елемент - літера, що характеризує різновид приладу: Д - діод, Т- транзистор, П - польовий транзистор та ін.

Третій елемент - число з трьох цифр - характеризує призна­чення та основні властивості приладу, а також порядковий номер розробки: для діодів 101-199 - малої потужності з напругою стабілізації до 10 В, для діодів 501-599 - середньої потужності з напругою стабілізації від 10 до 99 В та ін; для транзисторів 101-199 низькочастотні малої потужності, для транзисторів 501-599 -середньочастотні середньої потужності та інші.

Четвертий елемент - літера, що характеризує різновид типу.

Так, наприклад, КД102К - кремнійовий випрямлювальний діод малої потужності із зворотною напругою стабілізації до 10 В, різновид по параметрах групи К.

Повна заміна напівпровідниковими пристроями електронних ламп у побутовій радіоелектронній апаратурі пояснюється їх безсум­нівними та вагомими перевагами, основними із яких є невеликі розміри та маса (від часточок грама до кількох грамів), велика меха­нічна міцність, значний термін використання (їх довговічність, зумов­люється тільки процесами природного старіння), високим коефі­цієнтом корисної дії, обумовленим відсутністю витрат енергії на накал катода, невелика споживана потужність та дуже низькі живильні напруги. Це дає змогу конструювати малогабаритну переносну апаратуру з автономними джерелами живлення. З кожним роком з'являються нові досконалі напівпровідникові прилади, у виробництві яких використовують останні досягнення як фізики, так і технології виготовлення.

Деякі з них являють собою різні комбінації декількох напівпро­відникових елементів, виконаних в єдиному корпусі.