CC BY
162
ПОЛУПРОВОДНИКИ. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ОБЩЕПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»
12 3
Руднев А.Д. , Свечина Н.Н. , Поторочин С.М. Email: Rudnev1154@scientifictext.ru
1 Руднев Анатолий Дмитриевич - доктор физико-математических наук, пенсионер, г. Алексеевка, Белгородская область; 2Свечина Нина Николаевна - доктор экономических наук, кандидат технических наук,
советник президента фонда, фонд «Надежда и Вера», г. Иваново, Ивановская область; 3Поторочин Сергей Михайлович - технический директор, Общество с ограниченной ответственностью «Трансинформ», г. Лесной, Свердловская область
Аннотация: в статье дается понятие полупроводниковых приборов, кратко рассмотрена история их развития. Сформулированы основные признаки и свойства полупроводников. Изложена структура элементарных частиц: электрона и протона. Объясняется ошибочность и заблуждения в существующей теории полупроводников. На примере строения атома кремния наглядно пояснены причины появления у него полупроводниковых свойств. Имеется краткое знакомство с выполненными на основе полупроводников электронными компонентами, с их вольт-амперными характеристиками. Ключевые слова: полупроводник, элементарные частицы, модель атома, p-n переход.
SEMICONDUCTORS. EDUCATIONAL UNIT BY GENERAL PROFESSIONAL DISCIPLINE "ELECTRICAL ENGINEERING
AND ELECTRONICS" Rudnev A.D.1, Svechina N.N.2, Potorochin S.M.3
1Rudnev Anatoly Dmitrievich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Retired,
ALEKSEEVKA, BELGOROD REGION; 2Svechina Nina Nikolaevna - Doctor of Economics, Candidate of Technical Sciences, Advisor to the President of the Foundation, FOUNDATION «NADEZHDA AND VERA», IVANOVO, IVANOVO REGION; 3Potorochin Sergey Mikhailovich - Technical Director, TRANSINFORM LIMITED LIABILITY COMPANY, LESNOY, SVERDLOVSK REGION
Abstract: the article gives the concept of semiconductor devices, briefly reviewed the history of their development. The basic features and properties of semiconductors are formulated. The structure of elementary particles is stated: an electron and a proton. The fallacy and delusions in the existing theory of semiconductors are explained. Using the example of the structure of the silicon atom, the reasons for the appearance of semiconductor properties are explained. There is a brief acquaintance with electronic components based on semiconductors, with their current-voltage characteristics.
Keywords: semiconductor, elementary particles, atomic model, p-n transition.
УДК 537.11
История вопроса. Первые успехи в изучении полупроводников относятся к 1947 г. Они принадлежат американским ученым, хотя знакомство с этим явлением произошло столетием ранее. И было оно у Майкла Фарадея. Первые научные труды, описывающие процессы, происходящие в поверхностных слоях твёрдых полупроводников, принадлежат советскому физику О.В. Лосеву. Они публиковались в 1922 - 1926 годах в журнале "Телеграфия и телефония без проводов", но в России не привлекли к себе особенного внимания. Бурный рост числа полупроводниковых приборов зафиксирован в конце прошлого века. К настоящему
моменту разновидностей этих приборов около 200. И что поразительно - все они получены ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО. Это означает, что теория полупроводников ошибочна. Она позволяет лишь зафиксировать косвенные условия воспроизведения эффектов.
Авторы отмечают, что найдены реальные параметры полупроводников, отвечающих за те или иные эффекты. Некоторые новые подходы мы изложим в данном пособии, подчеркнув ошибочность существующей теории полупроводников. А вы, дорогие наши читатели, можете знакомиться с ней с улыбкой взрослого человека, не желающего обидеть дитя.
Основные признаки и свойства полупроводников.
Не существует такого одного параметра, по которому мы могли бы определить - где полупроводник, а где - нет. Зато есть множество параметров (или свойств), совокупность которых присуща только полупроводникам.
Важнейший из этих параметров - электропроводность. Потому они так и называются полупроводники, так как их электропроводность хуже, чем у металлов, но выше, чем у диэлектриков. К тому же, электропроводность полупроводников анизотропна (не одинакова по разным направлениям).
Второй важный признак полупроводников - их удельное сопротивление значительно уменьшается с ростом температуры.
Третий признак - на границах полупроводников и металлов возможно появление выпрямительного перехода.
Четвертый признак - их высокая чувствительность к свету.
И самое замечательное свойство полупроводников - это значительное изменение их электропроводности при внесении весьма малых концентраций примесей. Буквально единицы атомов примеси на сотни тысяч атомов полупроводника способны резко изменить свойства. Большинство этих признаков физически не объяснено (или объяснено неверно). Часть из этих заблуждений авторы раскроют впервые.
К полупроводникам относят такие вещества, как германий, кремний, селен, теллур, некоторые оксиды и сплавы металлов. В последнее время список расширяется так называемыми «жидкими» полупроводниками.
Существующая «теория» полупроводников.
Сразу напрашивается вопрос - почему слово теория в кавычках? Дело в том, что физической теории полупроводников нет. Есть некоторые формальные приемы для вычисления параметров отдельных процессов.
Чаще всего заблуждения обусловлены незнанием структуры заряженных частиц - атомов и электронов, физики их взаимодействия. Отсюда большая проблема изложения материала. Нам бы следовало сначала дать основы физики мельчайших частиц. Но для этого нет никакой возможности в кратком курсе. Простите, читатель, но нам придётся давать готовое «новое понимание» того или иного вопроса, ограничившись только выявлением ошибок в общепринятом суждении. Поэтому сначала приводим кратко совокупность существующих представлений в теории полупроводников.
Различают проводимость собственную и примесную. Соответственно сами примеси бывают донорные или акцепторные. Донорные отдают лишние электроны в полупроводник, а акцепторные - забирают для создания устойчивых межатомных связей.
В первом случае проводимость называют электронной, а сам полупроводник называют п-полупроводником. Во втором случае проводимость станет акцепторной, а полупроводник р типа. Этот прием с выделением или поглощением электронов оправдывается так называемой ковалентной связью между атомами рис. 1. Сам рисунок позаимствован нами с сайта [1].
Рис. 1. Схематическое представление ковалентных связей в кристаллической решетке кремния
Ковалентная связь образуется при обобществлении электронов парой соседних атомов. Она по-разному объясняется, много разночтений и противоречий. Но вряд ли есть смысл углубляться в них:
Даже не обращая внимания на невозможность многооболочечной структуры атомов, ковалентная связь - это вымысел.
Допустим, два атома действительно объединены общим электроном. Тогда точка соприкосновения орбит у них общая, то есть атомы СОМКНУТЫ.
Но мы видим из рис. 1, что атомы не сомкнуты, а разделены большим расстоянием. Но тогда для выхода электрона из атома требуется значительная энергия ионизации, отсутствующая при нормальных условиях.
Этого минимума достаточно, чтобы отвергнуть ковалентную связь и созданную с её помощью теорию полупроводников.
Так что никаких дырок не существует. А привычную терминологию с полупроводниками n и р - типа ломать не стоит. Да и устоявшийся термин «р - n переход» тоже целесообразно сохранить.
Физическая теория полупроводников.
Эти слова в заголовке предполагают, что есть реальные физические причины появления особых свойств полупроводников. Они также, предполагают, что в своей основе нам эти причины известны. Каковы же эти причины?
Первую причину мы с вами уже знаем из раздела «Электричество». Это происхождение свободных электронов (СЭ). Никакой ионизации для получения СЭ не требуется - точно так же, как и в металлах. Тогда почему только ПОЛУ-проводник, если всё как и в проводнике?
Различия в самих атомах, а точнее - в строении их ядер. А строение ядер невозможно изложить без понимания структуры элементарных частиц. Вот так глубоко запрятала природа секреты полупроводников. Вот потому-то и происходили замещения физических подходов в теории полупроводников. Здесь же кроется и причина нашего предостережения от «усмешек» по поводу тех или иных заблуждений.
Минимум знаний по структуре элементарных частиц:
Тем, кто желает побольше узнать о секретах физики по названным разделам, мы рекомендуем прочесть книгу [2].
Первое же знакомство с физикой элементарных частиц удивляет соотношением масс и размеров частиц. Так, электрон по размерам почти на порядок больше протона, хотя масса и энергия протона в 1838 раз больше, чем у электрона. Объяснение этого «чуда» простое: надо просто помнить, что в неподвижной частице всегда происходит круговое движение. Движется там само вещество, содержащее энергию - энергомассу (ЭМ). Поэтому чем больше эта масса, тем меньше амплитуда кругового вращения. Было обнаружено [3], что произведение энергии частицы на радиус кругового вращения масс - величина постоянная
Er = Const = 2,31E - 28 (Дж ■ м) (2-1).
Получается, что малая ЭМ электрона вращается по радиусу, в 9 раз больше радиуса самой ЭМ. А у протона наоборот: радиус вращения в 200 раз меньше радиуса ЭМ.
Рис. 2. Внешний вид электрона (слева) и протона (справа)
Кроме вращения по орбите ЭМ частицы совершает также колебания на + к /2. В результате вид электрона и протона рис. 2 существенно разнятся, хотя созданы по одному правилу.
При этом колебания ЭМ на ± к/2 создают в электроне замкнутую сферу с объемом Vс соблюдением равенства
Ее = РУ (2-2),
где Р - давление внутри сферы.
Иное дело с протоном: радиус орбиты ничтожно мал. И колебания ЭМ тоже малы в сравнении с размером ЭМ. Поэтому просто создается колебательное давление на окружающую среду через ЭМ. Но в плоскости экватора ЭМ оно отсутствует. Вот эти особенности двух базовых частиц и определяют всё многообразие их связей и свойств.
Варианты союза электронов и протонов.
Запомним основные правила:
1. Протон мал, но обладает очень большой энергией. Наличие плоскости нулевого давления в протоне создает силу притяжения для других частиц (втягивает).
2. Протон может притянуть свободный электрон. Такой союз называется нейтроном.
3. Протон может притянуть другой протон, но только в ориентации «обкатывания», когда поверхности их ЭМ могут соприкоснуться. Иначе получится динамический удар и протоны с силой разлетятся.
4. Два протона могут втянуть к себе общий электрон. При этом электрон сжимается как в тисках, приобретая высокое давление протонов. Как следствие - электрон согласно формуле (2-2) резко теряет объем.
5. И протон, и электрон могут находиться в свободном состоянии.
Минимум знаний о строении атома.
Вновь обратимся к формуле (2-2). Что произойдет с электроном, если внутрь его сферы принудительно поместить частицу с энергией Ех?
Очевидно, что объем электрона вырастет приближенно в Ех / Ее раз.
Есть другие влияющие факторы, и в действительности это отношение меньше, но смысл остается. Это мы с вами получили прообраз атома. Только что мы можем поместить в эту сферу?
Ответ опять очевиден - один из вариантов союза протонов и электронов. И теперь этот союз будет называться ядром атома. Настало время проиллюстрировать основные ядра атомов. На рисунке 3 приведены пять базовых конфигураций атомных ядер.
Ядро водорода представляет собой одиночный протон. Ядро дейтерия - это два протона, «обнявшие» электрон. Эта троица получила название «триада». В ядре трития один из протонов присоединил дополнительный протон, образовав источник мощного поля энергии. Но еще более могучий центр энергии в ядре гелия. В нем две триады соединены параллельно. Это соединение носит название X - частицы. И заключительная конфигурация - треугольник. Это ядро атома лития.
Следует обратить внимание на то, что из-за наличия плоскости низкого давления в протонах, ядра оказываются плоскими фигурами. При этом векторы избыточного давления перпендикулярны плоскости ядер.
Данный экскурс нам был необходим для понимания характера атомных полей, а также происхождения в них зон повышенного и пониженного давлений.
и 3
! ч г V , ь 1
Ял=1,25Фм
Рис. 3. Базовые конфигурации атомных ядер.
Н - ядро водорода; Б - ядро дейтерия; Т - ядро трития; Не - ядро гелия; Ы - ядро лития
Атомы веществ сохраняют указанную неоднородность полей энергии. За пределами атомов продолжают действовать пики и провалы давлений, образуя причудливые картины полей энергии. В современной физике полупроводников эти реально существующие неоднородности полей называются зонами Бриллюэна рис. 4.
Рис. 4. Примеры атомных зон Бриллюэна
В металлах и твердых полупроводниках атомы создают упорядоченные структуры -кристаллические решетки. Атомы взаимно ориентируются в пространстве под разными углами, и зоны Бриллюэна деформируются. Некоторые пики усиливаются, а иные ослабляются. В итоге межатомное пространство может представлять как открытые каналы для движения электронов (металлы), так и закрытые - диэлектрики. Полупроводники - это такой частный случай, когда плохая проводимость исходного материала может улучшиться (перейти в проводник) или ухудшиться (перейти в диэлектрик). И всё это обусловлено атомными полями (читай - конфигурацией атомных ядер).
Например, атом железа (изотоп с массовым числом 56) имеет конфигурацию ядра без ярко выраженных полюсов рис. 5.
Рис. 5. Ядро атома железа-56
Число полюсов определяет возможности атома для соединения с другими атомами. Не валентностью атома, а именно числом портов. Нам же важно отметить симметрию расположения портов, что и позволяет этому металлу образовывать коридоры проводимости решетки.
Теперь сравним ядро атома кремния рис. 6.
Рис. 6. Ядро атома кремния
Мы добрались до основной причины появления полупроводниковых свойств атомов. Всмотритесь в изображение ядра кремния: есть центр фигуры и есть две группы тяжелых частиц (они определяют энергию атома). Характерная особенность - радиусы групп заметно отличаются.
Представим упрощенно модель атома кремния, выделив эти группы частиц в отдельные элементы рис. 7.
А
Рис. 7. Символическое изображение атома кремния и его полюсов связи
Два порта связи обозначены символом А. Расстояние между портами большое. Энергия связи портов А наибольшая.
Два других порта обозначены символом Б. Расстояние Уъ между портами малое и
энергетические возможности их связи меньше. На рисунке 8 показана кристаллическая решетка кремния. Ее называют алмазоподобной, здесь атомы расположены относительно друг друга под разными углами.
Рис. 8. Кристаллическая структура кремния.
Наиболее вероятное расположение соседних атомов в такой кристаллической решетке показано на рис. 9. Слева показано несовпадение геометрических границ атомов с границами поля энергии. В правой части рисунка показано расположение зоны проводимости (в середине межатомного расстояния, где плотность энергии атомов минимальна). Видно, что порт А нижнего атома с большей энергией «прижимает» границу поля энергии верхнего атома. И получается, что для попадания границ полей энергии в зону проводимости необходимо смещение этих границ вниз.
Для верхнего атома это означает необходимость увеличения плотности энергии + дЕ . А вот для нижнего атома наоборот - надо её уменьшать.
Мы с вами уже знаем, как этого можно достичь - нужно ввести примесь из атомов с отличающейся удельной плотностью [4]. Плотность кремния 2300 кг/м3, плотность фосфора 1820 кг/м3, а плотность алюминия равна 2700 кг/м3. То есть, введением примеси фосфора мы уменьшаем «рога» зоны А, а если добавим примесь алюминия, то увеличиваем «рога» зоны Б. Вот так получаются полупроводники р- типа или п-типа. При этом никаких «дырок» не требуется.
Рис. 9. Относительное расположение атомов кремния
Осталось добавить, что разность энергий портов А и Б кремния составляет около
ДЕ «1,92Е(Дж). (2-3).
В физике принято энергию частиц выражать не в Джоулях, а в «электрон-Вольтах». Связь между ними простая Е(эВ)=Е(Дж)^. Иначе говоря, коридор смещения полей в кремнии равен примерно 1,2 Вольт. А смещение энергии в ту или другую сторону для открытия канала проводимости около 0,6 В.
Мы с вами рассмотрели раздел, важнейший для понимания физических процессов в полупроводниках. Вот этим и займёмся.
Полупроводниковые приборы.
Р-п переход (диод)
После того, как мы обосновали появление проводимости в кремнии введением примеси, естественно возникает вопрос: а что будет, если соединить вместе п- полупроводник с р-полупроводником? Словом, надо взять, например, р-полупроводник и в одну зону ввести примесь фосфора, придающего п-проводимость рис. 10.
Рис. 10. Создание границы между зонами проводимости разного типа
Диод проводит только в одном направлении - когда плюс источника подключен к зоне р. Граница между этими зонами должна бы определяться расстоянием z между свободными электронами, т.е. около 8,9 (нм). Но массовая доля примеси очень мала - менее 10-5(%) [5]. Соответственно первые атомы примеси оказываются удаленными от границы на
5 = z/л/То17 « 2 -10"6
(м)
(2-4).
То есть, чем больше концентрация примеси, тем уже переход. Перепад потенциалов нам уже известен, это 0,6(В), ослабленные в такое же число раз
Дф = 0,6 • ^Т0=7= 0,002785(В)
(2-5).
Следовательно, мы можем определить напряженность электрического поля в зоне перехода
Н =Др/5 = 0,002785/2-10~6 »1400(5/м) (2-6).
На рисунке 11 показаны основные параметры р-п перехода.
Рис. 11. Основные параметры р-п перехода Это очень большая напряженность, ведь развиваемая ею сила действия на свободный
электрон равна
Б = И = 1400 • 1,6 • 10"19 = 2,24 • 10" 16(Н)
18
(2-7).
Т=20 "С
ч 1 ТИ1
п-т я ^ \
\\
10ю 10а 10м 10№ 10« 10"
Рис. 12. Зависимость удельного сопротивления Si от концентрации примесей
Чтобы читатель мог ощутить эту силу, скажем, что она так ускоряет электрон, что он сможет достичь скорости света за миллионную долю секунды.
Что это нам дает? Это позволяет развить значительные токи в диоде даже при минимальной ширине перехода. Пользователь это свойство диода воспринимает как уменьшение сопротивления перехода при увеличении концентрации примеси. В том же источнике [5] приведена диаграмма этой зависимости рис. 12.
Температурная зависимость p-n перехода обусловлена ростом энергии атомов, определяющих ширину проводящего канала.
Всё это позволяет конструировать диоды различного назначения. Мы выделим лишь некоторые, наиболее характерные виды.
Стабилитрон.
Мы отметили выше, что диод проводит ток лишь в одном направлении. А в обратном направлении ток не равен нулю, но очень мал (доли или единицы микроампер). Правда, с ростом обратного напряжения он немного подрастает. А при достижении некоторого предельного значения ток неограниченно возрастает, приводя диод в негодность. Это напряжение называется напряжением пробоя. Оно для разных диодов колеблется от десятков до тысяч Вольт. Диаграмма зависимости тока диода от приложенного напряжения (рис. 13) носит название «вольт-амперная характеристика» (ВАХ).
А Лгр г >
Е^обр и« 0 —Л и^
/ 1 о / 1 ю / 1 ° * * р. 0,б(Б)
I
I
с м
0
И
а
Рч
и
1
Рис. 13. ВАХ диода
А есть разновидность диодов, в которых пробой происходит по заранее спрогнозированному сценарию при более низких напряжениях. Он носит название «зенеровский пробой». Он происходит при наличии некоторого сопротивления (десятки Ом), ограничивая максимальный ток.
Рис. 14. Параметрический стабилизатор напряжения для светодиода
Желанным параметром для такого диода является стабильность напряжения пробоя ист, поэтому эти диоды называют стабилитронами. Стабилизатор напряжения на стабилитроне (рис. 14) называется параметрическим. Данный стабилизатор допускает нестабильность питающего напряжения более 25% при токе нагрузки 20 мА. Для более мощной нагрузки применяют схемы с транзисторами.
Динистор
Динисторы называют также переключающими диодами. На рис. 15 показаны варианты графического обозначения динисторов.
Катод Анод
Рис. 15. Условное графическое обозначение динистора в электрических схемах
Особенность динистора в том, что у него три перехода, а число зон полупроводника равно четырем. Это конструктивная особенность, а достигает она особенность
функциональную, - пороговое отпирание диода на прямой ветви. Хорошо иллюстрируется эта особенность на ВАХ динистора рис. 16.
Рис. 16. ВАХ динистора
При подаче прямого напряжения на динистор ток в нём мал и почти не растёт (жирная ветвь ВАХ). Однако при некотором напряжении наступает пробой, и динистор мгновенно переключается в состояние высокой проводимости и низкого остаточного напряжения (пунктирная ветвь ВАХ). Дальнейший рост напряжения ничем не отличается от диодного режима (верхняя ветвь ВАХ). Напряжение переключения не управляется, поэтому выпускают динисторы с различными значениями напряжения пробоя.
Выпускаются также симметричные динисторы, у которых такой же «фокус» с пробоем организован и на обратной ветви.
Динисторы применяются в устройствах типа генератор или пороговых устройствах.
Недостатком динисторов является фиксированность напряжения пробоя. Устраняя этот недостаток, был разработан прибор, получивший название «тиристор» (от греческого слова Tira - дверь). В нём пробой вызывается в произвольный момент через третий (управляющий) электрод. Однако, его работу мы рассмотрим позже - в разделе «Транзисторы».
Двухбазовый диод (однопереходный транзистор).
Это очень интересный прибор, как с точки зрения его работы, так и с точки зрения применения рис 17. Вообще-то он всё же ближе к транзисторам, но пусть останется
промежуточным прибором между диодами и транзисторами.
Рис. 17. Двухбазовый диод. а) и б) - обозначение на схемах (с базой п-типа и р-типа соответственно;
в) конструкция прибора
Работу прибора поясним по рисунку 17 в. В исходном состоянии, когда напряжение между эмиттером и базой 1 равно нулю, канал представляет собой сопротивление с достаточно большим сопротивлением (килоомы). Эмиттер контактирует с некоторой промежуточной точкой канала, то есть с потенциалом ио < и42. Переход эмиттер-канал закрыт, ток эмиттера равен нулю. Но как только потенциал эмиттера становится больше ио, переход открывается и участок эмиттер-база 2 переходит в низкоомное состояние.
Это свойство позволяет строить на базе двухбазового диода всевозможные схемы генераторов. В качестве примера рассмотрим простейшую схему импульсного генератора (рис. 18).
Рис. 18. Генератор импульсов на двухбазовом диоде
Конденсатор С заряжается током от источника питания через резистор Ю. Напряжение на конденсаторе имеет экспоненциальный характер
ис = 1 - ЕХР (— / ЯС)
(2-8)
и при достижении уровня и0 разряжается до нуля. Затем процесс повторяется с периодом Т, то есть, с частотой Е = 1 / Т.
Резистор Я3 выбирают малой величины, чтобы он меньше влиял на процессы заряда-разряда емкости.
Ценой небольшого усложнения этой схемы удается получить очень высокую точность (до 0,01%) преобразования тока в частоту [6].
Транзисторы.
Это самый массовый вит полупроводниковых приборов. Их несколько видов, среди которых выделим биполярные, полевые и биполярные с изолированным затвором (ЮБТ).
Биполярный транзистор.
Это исторический первенец твердотельных усилительных приборов. Правда, поначалу были германиевые транзисторы, а теперь более термостабильные кремниевые. Широчайший спектр п-р-п транзисторов (преимущественный тип проводимости) охватывает возможный частотный диапазон, максимальные токи и мощности, а также диапазон напряжений.
Условное графическое изображение транзисторов обоих типов проводимости приведено на рис. 19.
эмиттер
Рис. 19. Условное графическое обозначение биполярных транзисторов
Сначала мы дадим модель биполярного транзистора в современном понимании. Она не претендует на название «физическая», но абсолютно верно позволяет понимать соотношения параметров. Словом, специалисты нашли практически связь основных параметров транзисторов и дали вот такое представление их (рис. 20).
Рис. 20. Схема замещения биполярного транзистора
Входное напряжение подано на участок БЭ транзистора через сопротивление базы гБ. протекающий ток базы 1Б вызывает ток в цепи коллектора 1К=Р 1Б. Вот этот множитель р и выражает усилительные свойства транзистора. Он называется коэффициентом усиления
транзистора по току. В справочниках вы можете отыскать его под символом й21. Значение его колеблется для разных транзисторов от единиц (для мощных высоковольтных транзисторов) до сотен и даже тысяч (для маломощных транзисторов). Может также встретиться коэффициент а (альфа). Его надо пересчитать
Р = а/(\-а)
(2-9).
На рисунке показан еще ток 1К0 - это обратный ток закрытого перехода база-коллектор.
Как видите, физической трактовки работы транзистора нет. Нет и понимания - как и почему происходит усиление базового тока. Абсолютно не ясно, как ток проникает через запертый переход из базы в коллектор. Нам же с вами достаточно вспомнить подраздел «р-п переход» и формулу (2-7). Малым током базы мы открываем переход БЭ по всей его ширине.
23
И огромная сила ускорения тоже действует по всей ширине перехода. Следовательно, свободные электроны в своей массе движутся к области коллектора и приобретают большую кинетическую энергию Ек. Самое время прикинуть, куда девается эта энергия ускоренных электронов. А расходуется она как раз на преодоление запирающего напряжения, равного практически напряжению питания коллектора Пк. Нетрудно показать, что даже при напряжении Пк, равном нескольким сотням Вольт, энергии вполне хватает. Поэтому в функцию коллектора входит простая задача «сбора» электронов, прошедших барьер.
Далее нам предстоит познакомиться с основными схемами включения транзисторов: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ) - (рис. 21).
Рис. 21. Три схемы включения биполярного транзистора
Наиболее распространенная схема ОЭ. Плюсы её в максимальном усилении по напряжению, минус - в низком входном сопротивлении.
Схема ОК имеет самое высокое входное сопротивление, однако коэффициент усиления по напряжению равен лишь единице. Эта схема используется для согласования сопротивлений.
Схема ОБ не уступает схеме ОЭ в усилении по напряжению, но превосходит её по частотным свойствам.
А теперь настало время для обещанного рассмотрения прибора по имени тиристор (рис. 22). Для этого сначала строим две схемы ОЭ на транзисторах разной проводимости (слева).
Рис. 22. Создание структуры тиристора и его условное графическое обозначение
Затем объединяем их в общую схему (в середине рисунка). Получилось устройство, которое подобно электромагнитному реле переходит в открытое состояние (проводящее) при подаче положительного короткого импульса на вход. Тиристор изготавливают не из транзисторов, а самостоятельной монолитной п-р-п-р структурой. Это так же, как и
динистор, четырехслойный прибор, только управляемый. Такие приборы часто применяют для изменения фазы срабатывания устройств, например, в светорегуляторах.
Справа на рисунке дано обозначение тиристора.
Полевой транзистор (ПТ).
Из самого названия следует, что в этом приборе главное действующее лицо - поле. Пояснить надо только то, что поле электрическое. Понятно, что этим полем осуществляется модуляция тока транзистора - управление. Видов и подвидов ПТ много, мы же выделим два принципиально отличных вида : с р-п переходом и с изолированным затвором.
Исторически первым появился ПТ с р-п переходом. В России они появились в 1968г в Новосибирском электровакуумном институте.
На рисунке 23 изображено устройство ПТ с р и п-каналом, а также графическое обозначение этих транзисторов.
Рис. 23. Структура ПТ с управляющим р-п переходом и условное обозначение (справа)
Конструкция ПТ абсолютно симметрична, поэтому сток и исток могут быть взаимно заменяемые. Такие транзисторы называют еще униполярными.
Как работают такие транзисторы? Вы уже знаете, что обратно смещенный р- п переход закрыт и не проводит ток. А как себя ведут свободные электроны в канале? В полном соответствии с действующей электрической силой, стараются уплотнить «свои ряды» перед барьером. Рост их концентрации - это увеличение энергии в объеме пространства.
А поскольку энергия Е=РУ, мы понимаем, что вдоль границы канала с затвором (р-п переход) нарастает давление. Оно препятствует прохождению электронов по каналу. Чем сильнее заперт переход, тем шире часть запертого канала ПТ. В конце концов, находится такое напряжение на затворе, которое полностью перекрывает канал проводимости ПТ. Это напряжение называется напряжением отсечки. На рисунке 24 показана ВАХ полевого транзистора с р-п переходом.
Рис. 24. Входная (слева) и выходные (справа) характеристики ПТ
Входная характеристика отражает описанный выше процесс снижения тока стока в функции напряжения затвор-исток. Эта характеристика носит квадратичный характер. То есть, если мысленно начало координат перенести в точку Пзи= Потс, то отрицательным
приращениям напряжения на затворе &U будут соответствовать приращения тока стока
AIC « k(АU3U)2 (2-10).
Особенность выходных характеристик в том, что большим изменениям напряжения Пси соответствуют малые изменения тока стока ПТ. Эти характеристики называются пентодными.
Мы разобрали процессы в n-канале ПТ. А как перекрывается р-канал проводимости? Точно по тем же законам, только с обратным знаком. Просто теперь повышение концентрации электронов происходит не в канале, а в затворе. А электрическое поле перекрывает канал проводимости не давлением, а потенциалом ty = Е / q. Это означает, что в канале вытесняются свободные электроны от затвора вглубь канала. Называется этот процесс обеднением носителей заряда.
В обоих случаях ток в цепи затвора практически отсутствует. И возникает вопрос: зачем тогда вообще нужен р-n переход? А он и не нужен - ответили ученые и предложили сделать подачу напряжения на затвор через тонкий изолирующий слой. В качестве такого изолятора был использован окисел металла, благо его можно легко регулировать по толщине. Такие ПТ стали называть МОП-транзисторами. Здесь сокращение расшифровывается как металл-окисел-полупроводник. Второе название - ПТ с изолированным затвором. На рисунке 25 его графическое обозначение.
N-канальный Р-+ээналы*лй
полевой транзистор полевой транзистор
Рис. 25. условное графическое обозначение МОП-транзисторов
Схемы включения транзисторов сохраняются аналогично биполярным транзисторам. Только меняются названия электродов: общий исток (ОИ), общий сток (ОС) и общий затвор (ОЗ).
Транзисторы с изолированным затвором (IGET).
Это пример удачного использования позитивных свойств разных устройств в едином блоке. В общем, взяли полевой транзистор, у которого очень большое входное сопротивление и включили его по схеме ОК с мощным биполярным транзистором. У него низкий коэффициент усиления по току, но зато он допускает большие токи и большие напряжения (рис. 26).
I
R
ПТ
Вход
Рис. 26. Структура IGBT-транзистора и его обозначение
А теперь почти вся силовая техника строится на этом удачном симбиозе. Только в области высоких частот «полевики» еще конкурируют с IGBT-транзисторами.
1. Схематическое представление ковалентных связей в ковалентной решетке кремния. [Электронный ресурс]: PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden. Режим доступа: http://pvcdrom.pveducation.org/RU/SEMICON/SEMICON.HTM/ (дата обращения: 11.09.2018).
2. Руднев А.Д. Возвращение в физику. (Реальная физика)ТАР., 2012.
3. Руднев А.Д. Шаг к структуре пространства. [Электронный ресурс]: Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Режим доступа: www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8182.html / (дата обращения: 11.09.2018).
4. Таблица плотностей. [Электронный ресурс]: Инженерный справочник. Таблицы DPVA.ru. Режим доступа: www.dpva.ru/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsDensity/DensityT able/ (дата обращения: 11.09.2018).
5. Влияние содержания примесей в кремнии. [Электронный ресурс]: Хелпикс. Орг -Интернет помощник. Режим доступа: www.helpiks.org/6-75432.html/ (дата обращения: 11.09.2018).
6. Поторочин С.М., Руднев А.Д. Частотный преобразователь тока. Авт. св № SU1432738. [Электронный ресурс]: База патентов СССР. Режим доступа: http://patents.su/4-1432738-chastotnyjj-preobrazovatel-toka.html/ (дата обращения: 11.09.2018).
Список литературы /References
