Транзистор, усиление электрического сигнала

Тема 10

Основы электроники

Электронно-дырочный переход

Химическим элементом называется соединение атомов с одинаковым зарядом ядра. В природе из всех химических элементов только благородные газы (гелий,
неон и другие) находятся в одноатомном состоянии. Все остальные элементы
стремятся соединиться друг с другом в определённом порядке, образуя молекулы. Соединение в определённом порядке атомов и молекул называется веществом. Твёрдое вещество имеет структуру и состоит из атомов, которые имеют в своём
составе ядра и электроны, находящиеся на определённых энергетических уровнях (заполненная зона, запрещённая зона, валентная зона, зона проводимости).

В веществе, которое называют полупроводником, валентная зона и зона
проводимости разделены запрещённой зоной, в проводнике такое разделение
отсутствует, а в диэлектрике имеется, но ширина запрещённой зоны намного больше, чем у полупроводника. Различают собственные полупроводники и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химические элементы IV группы периодической таблицы Менделеева: кремний (Si), германий (Ge), имеющие 4 валентных электрона, которые могут вступить в химическую связь с электронами других атомов. При незначительной температуре один или несколько из этих валентных электронов могут переходить в зону проводимости в отличие от диэлектрика.

Свойство атомов одного химического элемента присоединять определённое число атомов других химических элементов называется валентностью. Соединение атомов химических элементов в молекулу называется химической связью. Она
может возникнуть, например, при образовании электронных пар: двух электронов, которые принадлежат одновременно двум атомам (то есть вращаются вокруг ядер двух атомов); такая химическая связь называется ковалентной связью. Если ковалентная связь образуется в результате перехода электронной пары от одного химического элемента – донора (поставщика электронов) к другому химическому элементу – акцептору (пользователю электронов), то такая химическая связь называется донорно-акцепторной связью.

Примесной полупроводник получается следующим образом. Если в химический элемент IV группы внести примесь (химический элемент V группы), то при комнатной температуре атомы примеси отдают 5-й электрон, не участвующий в создании химической связи. В результате атомы примеси, расположенные в узлах кристаллической решётки, становятся положительными ионами, а в полученном веществе появляются свободные электроны. Такие вещества, в которых носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа (n – «negative» – отрицательный), а примеси, благодаря которым возникают свободные электроны,
называют донорными.

Если в химический элемент IV группы внести в качестве примеси химический элемент III группы, то при комнатной температуре атомы примеси захватывают электроны у некоторых атомов химического элемента IV группы для образования химической связи. В результате эти атомы, расположенные в узлах кристаллической решётки, становятся положительными ионами, вокруг которых находятся нейтральные атомы. Нейтральные атомы, находящиеся возле иона, отдают свои электроны положительному иону, делая его нейтральным; при этом они сами становятся
положительными ионами. Следовательно, место положительного иона всё время меняется, как будто перемещается положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Отсутствие электрона в атоме полупроводника называют дыркой,
которая обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Такие вещества, в которых носителями зарядов являются дырки, называют
полупроводниками р-типа (р – «positive» – положительный), а примеси, благодаря которым возникают дырки, называют акцепторными.

Если соединить полупроводник р-типа с полупроводником n-типа, то образуется полупроводник р-n-типа (имеющий р-слой и n-слой) в месте их соединения создастся электронно-дырочный переход (р-n-переход), в котором электроны n-слоя заполняют дырки р-слоя. Поэтому в месте соединения образуется слой вещества, не имеющий свободных зарядов (то есть обладающий большим сопротивлением), который называют запирающим слоем. Толщина
запирающего слоя составляет несколько микрометров, его расширению препятствует электрическое поле неподвижных ионов примесей. Следовательно, в нейтральном состоянии, когда потенциалы на концах полупроводника равны нулю, упорядоченное и направленное движение зарядов в нём отсутствует, то есть сила тока равна нулю (рис.10.1).

Если от источника электродвижущей силы к р-слою полученного полупроводника приложить положительный потенциал (+j), а к n-слою – отрицательный потенциал
(–j), то электроны под действием приложенного напряжения из n-слоя начнут проникать в р-слой, заполняя дырки. Недостаток электронов в n-слое и дырок в р-слое компенсируется за счёт источника электродвижущей силы: электроны от источника поступают в n-слой, а из р-слоя электроны
поступают в источник, образуя в этом слое дырки. Это
упорядоченное и направленное движение свободных
зарядов в полупроводнике (прямой электрический ток)
происходит до тех пор, пока к нему приложено прямое
напряжение от источника электродвижущей силы: «+» – к
р-слою, а «–» – к n-слою (рис.10.2).

Если от источника электродвижущей силы к р-слою полученного полупроводника приложить отрицательный потенциал (–j), а к n-слою – положительный потенциал (+j), то электроны под действием приложенного напряжения из n-слоя начнут поступать в источник, из которого
будут проникать в р-слой, заполняя дырки (то есть произойдёт расширение запирающего слоя). Этот процесс прекратится, когда толщина запирающего слоя станет пропорциональной приложенному напряжению источника. В полупроводнике будет происходить незначительное упорядоченное и направленное движение зарядов (обратный электрический ток) до тех пор, пока к нему приложено обратное напряжение от источника электродвижущей силы: «–» – к р-слою,
а «+» – к n-слою (рис.10.3).

Следовательно, вещества, электропроводность которых находится между
проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками, характерными
свойствами которых являются:

– полупроводник при прямом напряжении проводит электрический ток в
одном направлении (является проводником), а при обратном напряжении практически не проводит электрический ток (является диэлектриком);

– при увеличении температуры удельное сопротивление полупроводников снижается (проводников, наоборот, возрастает).

Вопросы для самоконтроля

1. Какие вещества называют полупроводниками?

2. Какими свойствами обладают полупроводники?

3. Как образуются полупроводники?

4. Что является носителями зарядов в полупроводниках n-типа?

5. Как образуются полупроводники n-типа?

6. Что является носителями зарядов в полупроводниках р-типа?

7. Как образуются полупроводники р-типа?

8. Как образуются полупроводники р-n-типа?

9. Что понимается под р-n-переходом?

10. Что понимается под запирающим слоем?

11. Что понимается под прямым током и прямым напряжением полупроводника?

12. Опишите работу полупроводника р-n-типа при прямом напряжении.

13. Что понимается под обратным током и обратным напряжением полупроводника?

14. Опишите работу полупроводника р-n-типа при обратном напряжении.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод представляет собой электронное устройство с
одним электронно-дырочным переходом (р-n-переходом) и двумя выводами.

В зависимости от конструктивного исполнения р-n-перехода различают
точечные диоды, имеющие незначительную мощность, и плоскостные диоды, имеющие значительную мощность. На принципиальных электрических схемах
буквенно-графическое обозначение полупроводникового диода следующее:

Зависимость силы тока в диоде от приложенного к нему напряжения,
вольт-амперная характеристика (ВАХ), показана на рис.10.4. Она же является
обобщённой ВАХ р-n-перехода. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода имеет три характерных участка:

1 – работа при прямом напряжении
(протекает прямой ток: р-n-переход открыт,
и сила тока ограничена только сопротивлением материала полупроводника);

2 – работа при обратном напряжении (протекает обратный ток: р-n-переход закрыт, и ток незначительной силы проходит за счёт незначительного количества не основных носителей свободных зарядов в материале полупроводника (электронов в р-слое и дырок в n-слое);

3 – работа при напряжении пробоя
(обратный ток резко увеличивается: происходит резкое, («лавинообразное») увеличение
не основных носителей свободных зарядов в
материале полупроводника (электронов в р-слое и дырок в n-слое) при увеличении обратного
напряжения).

Для оценки и выбора полупроводниковых диодов указывают следующие
технические параметры:

– прямой ток: максимально допустимый (средний за период) ток,
сила которого определяется нагревом диода;

– прямое напряжение: прямое импульсное максимальное напряжение
для допустимого импульса прямого тока;

– мощность, рассеиваемая диодом: максимальная мощность,
которую способен рассеивать диод;

– обратное напряжение: обратное импульсное максимальное напряжение,
равное 70 % от напряжения пробоя;

– обратный ток: сила тока, протекающего при обратном напряжении.

Полупроводниковые диоды выпускают кремниевые (на основе кремния)
и германиевые (на основе германия): кремниевые диоды способны работать при температуре от 120°С до 150°С при прямом напряжении около 1 В, германиевые диоды способны работать при температуре от 55°С до 85°С при прямом напряжении около 0,3 В. Для получения большего обратного напряжения диоды соединяют последовательно, а для получения большего прямого тока диоды соединяют параллельно.

Если номинальный режим работы диода находится на обратной части его вольт-амперной характеристики (рис.10.4, участок 2), то диод называют стабилитроном.

На принципиальных электрических схемах буквенно-графическое обозначение стабилитрона следующее:

Стабилитрон предназначен для
стабилизации напряжения, то есть поддержания напряжения на одном уровне.
Стабилитрон включают параллельно
нагрузке (рис.10.5). При увеличении входного напряжения возрастает ток в цепи
R 1 – VD, а напряжение на нагрузке U_нагр (равное напряжению стабилизации) практически не меняется за счёт падения
избыточного напряжения на резисторе R 1.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое электронное устройство называется полупроводниковым диодом?

2. Как полупроводниковый диод обозначается
на принципиальной электрической схеме?

3. Опишите работу полупроводникового диода,
используя его вольт-амперную характеристику.

4. Перечислите технические параметры полупроводникового диода.

5. Как выбрать полупроводниковый диод?

6. Какое электронное устройство называется стабилитроном?

7. Как стабилитрон обозначается на принципиальной электрической схеме?

8. Приведите принципиальную электрическую схему
стабилизации напряжения с расшифровкой буквенных обозначений.

9. Опишите работу приведенной схемы стабилизации напряжения.

Выпрямление переменного тока

Выпрямление переменного тока в постоянный ток необходимо для питания постоянных машин, электронных устройств и другого.

Рассмотрим однополупериодную схему выпрямления (рис.10.6). Она состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подключаются диод и потребитель электроэнергии. Выпрямление тока по этой схеме осуществляется следующим образом: в первую половину периода (в 1-й полупериод) электрический ток проходит через диод, во вторую половину периода (во 2-й полупериод)
электрический ток фактически не проходит через диод, далее процесс повторяется. Следовательно, в течение 1-го полупериода напряжение на нагрузке есть, а в
течение 2-го полупериода оно отсутствует. Ток, протекающий в цепи нагрузки, пульсирующий, то есть изменяется его сила, но не изменяется его направление (рис.10.7).

Недостатком показанной выше схемы выпрямления является значительная
пульсация выпрямленного тока, приводящая к нестабильному снабжению нагрузки электроэнергией.

Поэтому на практике в основном используют мостовую двухполупериодную схему выпрямления переменного тока (рис.10.8). Она состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого подключаются диодный мост (соединение диодов) и потребитель электроэнергии. Выпрямление тока по этой схеме осуществляется
следующим образом: в 1-ю половину периода (в 1-й полупериод) электрический ток проходит через диоды VD 1 и VD 2 (путь тока показан не заштрихованными стрелками), во 2-ю половину периода (во 2-й полупериод) электрический ток проходит через диоды VD 3 и VD 4 (путь тока показан заштрихованными стрелками), далее процесс повторяется. Следовательно, напряжение на нагрузке есть и в течение 1-го полупериода, и в течение 2-го полупериода. Ток, протекающий в цепи нагрузки, пульсирующий, то есть изменяется его сила, но не изменяется его направление (рис.10.9). Для снижения пульсации выпрямленного тока используют сглаживающие фильтры на базе конденсаторов.

Аналогично (с добавлением в схему выпрямления двух диодов) можно
выпрямлять трёхфазный переменный ток.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет вывод от средней точки (в этом случае её
называют нулевой точкой), то для выпрямления переменного тока используют двухполупериодную с нулевой точкой схему выпрямления (рис.10.10), которая позволяет получить такое же выпрямленное напряжение у потребителя электроэнергии, как и в случае применения
мостовой схемы.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите принципиальную электрическую схему однополупериодного
выпрямления переменного синусоидального тока с понижающим
трансформатором с расшифровкой буквенных обозначений.

2. Опишите работу приведенной схемы однополупериодного выпрямления.

3. Изобразите графически выпрямленный ток.

4. Приведите принципиальную электрическую схему двухполупериодного
выпрямления переменного синусоидального тока с понижающим
трансформатором с расшифровкой буквенных обозначений.

5. Опишите работу приведенной схемы двухполупериодного выпрямления.

6. Изобразите графически выпрямленный ток.

7. Приведите принципиальную электрическую схему двухполупериодного
с нулевой точкой выпрямления переменного синусоидального тока с
понижающим трансформатором с расшифровкой буквенных обозначений.

Тиристор

Тиристор – это полупроводниковое управляемое устройство, которое имеет два р-слоя и два n-слоя, с тремя электронно-дырочными переходами
(р-n-переходами) и тремя выводами. Вывод из р-слоя называют анодом, вывод из
n-слоя называют катодом, третий вывод называют управляющим электродом,
который может подсоединяться как к р-слою, так и к n-слою (рис.10.11а, 10.11б).

На принципиальных электрических схемах буквенно-графическое обозначение тиристора следующее:

Вольт-амперная характеристика тиристора имеет вид, показанный на рис.10.12. Если управляющий электрод не подключён к сети, то один из
р-n-переходов закрыт и тиристор работает на 1-м участке ВАХ.

Значительное увеличение
напряжения приводит к тому, что
тиристор начинает работать на 2-м участке ВАХ. В результате напряжение на тиристоре падает, а ток через него увеличивается, что приводит к работе тиристора на 3-м участке ВАХ. Поэтому отсутствие прямого напряжения на управляющем электроде приводит к тому, что тиристор переходит в открытое состояние при значительном напряжении.

Если управляющий электрод подключён к сети и на него подано прямое
напряжение, то тиристор сразу начинает работать на 3-м участке ВАХ.

Следовательно, наличие прямого напряжения на управляющем электроде
приводит к тому, что тиристор переходит в открытое состояние при незначительном напряжении.

Тиристоры могут пропускать электрический ток силой до 1,0 – 2,0 кА при
напряжении 0,1 – 4,0 кВ.

Наиболее просто тиристор можно применить в качестве электрического ключа (рис.10.13). Тиристоры используется также для регулирования напряжения на зажимах трёхфазных асинхронных электродвигателей и других целей.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое электронное устройство называется тиристором?

2. Как тиристор обозначается на принципиальной электрической схеме?

3. Опишите работу тиристора, используя его вольт-амперную характеристику.

4. Для чего предназначен тиристор?

Транзистор, усиление электрического сигнала

Транзистор изобретён в 1948 году американскими учёными Д. Бардином,
У. Браттейном и У. Шокли, за что им была присуждена Нобелевская премия.

Транзистор (биполярный транзистор) – это полупроводниковое устройство, которое предназначено для усиления электрического сигнала (тока, напряжения), имеющее два р-слоя и один n-слой (рис.10.13а), или один р-слой и два n-слоя (рис.10.13б), с 2-мя электронно-дырочными переходами (р-n-переходами) и 3-мя выводами. Слои, находящиеся по краям транзистора, называют коллектором и эмиттером, а средний слой называют базой.

На принципиальных электрических схемах буквенно-графическое обозначение транзистора следующее:

На каждый р-n-переход транзистора может быть подано как прямое, так и
обратное напряжения. Соответственно различают четыре режима работы транзистора: режим отсечки (режим закрытого транзистора) – на оба перехода подаётся
обратное напряжение; режим насыщения (режим открытого транзистора) – на оба перехода подаётся прямое напряжение; активный режим – на эмиттерный переход подаётся прямое напряжение, на коллекторный переход подаётся обратное напряжение; инверсный режим – на эмиттерный переход подаётся обратное напряжение, на коллекторный переход подаётся прямое напряжение.

Рассмотрим активный режим работы транзистора. Между одним слоем (эмиттером – «излучателем» свободных зарядов) и другим слоем (базой – «передатчиком» свободных зарядов) подают прямое напряжение, то есть на один р-n-переход. Между другим слоем (коллектором – «получателем» электронов) и базой подают обратное напряжение, то есть на второй р-n-переход. В результате один р-n-переход будет
открыт, а второй р-n-переход – закрыт. Следовательно, в цепи «эмиттер – база»
будет протекать прямой электрический ток, а в цепи «база – коллектор» – обратный электрический ток:

I_э = I_к + I_б , (10.1)

где I_э – сила тока, протекающего в эмиттере, А;

I_к – сила тока, протекающего в коллекторе, А;

I_б – сила тока, протекающего в базе, А.

Таким образом, транзистор можно рассматривать как устройство, которое распределяет электрический ток (протекающий через один электрод – эмиттер),
между двумя другими электродами (базой и коллектором) в определённом
соотношении. Это свойство транзистора используется для усиления электрического сигнала. Отношение изменения силы тока, протекающего в коллекторе (DI_к),
к изменению силы тока, протекающего в базе (DI_б), при неизменном напряжении
между эмиттером и коллектором называют коэффициентом передачи базового тока:

. (10.2)

Для транзисторов различных типов b = 15 – 500, то есть сила электрического
тока, протекающего в коллекторе, намного больше силы тока, протекающего в базе.

Следовательно, если ток в базе, будет являться входным сигналом, а ток в коллекторе – выходным сигналом, то транзистор будет работать в режиме усиления входного электрического сигнала. В этом случае общей точкой входной и выходной электрической цепи является эмиттер, а схему называют «с общим эмиттером» (рис.10.14). Схему «с общей базой» используют для усиления напряжения (рис.10.15).

Вопросы для самоконтроля

1. Какое электронное устройство называется биполярным транзистором?

2. Как биполярный транзистор обозначается
на принципиальной электрической схеме?

3. Опишите устройство биполярного транзистора.

4. Перечислите режимы работы биполярного транзистора.

5. Опишите включение биполярного транзистора в режиме усиления тока.

6. Что понимается под коэффициентом передачи базового тока?

7. Опишите включение биполярного транзистора в режиме усиления напряжения.

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 65; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!