Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 8. Напівпровідникові прилади та їх застосування

Стрімкий розвиток техніки і технологій став можливим завдяки використанню напівпровідникових приладів. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми є основою сучасної обчислювальної техніки, комп’ютерів. Коротко розглянемо основні типи напівпровідникових приладів та їх застосування.

Напівпровідниковий діод. В одну поверхню кристалу напівпровідника вплавлюють домішку щоб створити р-n-nерехід. Так утворюють напівпровідниковий діод. На малюнку 47 зображено будову індій-германієвого діода.

Мал. 47 Cхема будови індій-германієвого діода

Основна його частина — монокристалічна пластинка германію 5, до одної з поверхонь якої приварено краплю індію 4. Пластинка германію припаяна оловом 6 до основи металевого корпуса 7, який захищає кристал від зовнішнього впливу. Один контактний вихід 8 з’єднаний з пластинкою германію, а інший контактний вихід 1 — з краплею індію. Він проходить у металевій трубці 2, вплавленій у скляний ізолятор 3.

У такому діоді утворюється дещо інший р-n-перехід, ніж розглянутий у попередньому параграфі. Тут реалізується контакт між напівпровідником з власною провідністю (германієм) і шаром напівпровідника, що утворився після сплавляння індію з германієм, тобто напівпровідника з домішковою провідністю р-типу. Але всі діоди мають однобічну провідність, завдяки чому широко використовуються в електроприладах. Різні типи напівпровідникових діодів зображено на малюнку 48.

Мал. 48. Напівпровідникові діоди: 1 — випрямний діод; 2 — фотодіод; 3 — діод надвисокої частоти; 4 і 5 — діодні матриці; 6 — імпульсний діод

Стабілітрони. Стабілітрон — це теж діод, але призначений він не для випрямляння змінного струму, хоч і може виконувати таку функцію, а для стабілізації, тобто підтримки постійної напруги в колах живлення радіоелектронної апаратури.

Знайшли широке застосування кремнієві стабілітрони, які будовою і принципом роботи аналогічні випрямляючим діодам. Але працює стабілітрон не на прямій ділянці вольт-амперної характеристики, як випрямляючий діод, а на зворотній вітці, де значні зміни зворотного струму через прилад супроводжуються незначними змінами зворотної напруги.

Термо- і фоторезистори. Прилади, дія яких ґрунтується на використанні залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів (або термісторів).

Терморезистор вмикається в електричне коло того або того пристрою. Його опір значно перевищує опір інших елементів кола і, що найголовніше, сильно залежить від температури. Зміна температури терморезистора спричинює зміну сили струму в колі. Це дає можливість застосовувати терморезистори в різних схемах і створювати автоматичні пристрої для дистанційного вимірювання та регулювання температури, пожежної сигналізації, контролю за температурним режимом механізмів тощо.

У фоторезисторах використовується залежність опору напівпровідників від освітлення. Це дає змогу застосовувати їх у різного виду реле (для автоматичного вмикання і вимикання пристроїв, для підрахунку та сортування виробів на конвеєрах тощо).

Транзистори. Термін «транзистор» утворений з двох англійських слів: transfer — перетворювач і resistor — опір. У спрощеному вигляді транзистор є пластиною напівпровідника з ділянками з різною електропровідністю. Існують польові й біполярні транзистори (мал. 49).

Мал. 49. Класифікація основних типів транзисторів та позначення їх на схемах

Відмінності між ними полягають у способі керування: польові керуються електричним полем, біполярні — струмом. Розглянемо детальніше принципи їх дії.

Біполярним транзистором називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад, що має у своїй структурі два взаємодіючих p-n-переходи й три зовнішніх виводи. Якщо крайні області з дірковою електропровідністю, а середня з електронною (мал. 50, а), то такий прилад називають транзистором p-n-р-типу. В n-p-n-транзисторах, навпаки, крайні ділянки з електронною електропровідністю, а між ними — область з дірковою електропровідністю (мал. 50, б).

Виводи транзистора називаються емітером, базою та колектором. На схемах емітер позначається стрілкою, яка вказує напрямок струму, що проходить через транзистор.

Мал. 50. Схема будови та умовне позначення на схемах транзисторів p-n-p-типу (а) і n-p-n-типу (б)

Дія транзистора ґрунтується на використанні двох р-n-переходів між базою та емітером і базою та колектором, тому його і називають «біполярним». Тип n-р-n транзисторів набув найбільшого поширення, порівняно з р-n-р-типом, завдяки кращим характеристикам і параметрам. Це пов’язано з тим, що в n-р-n пристроях головна роль відведена електронам, що забезпечують усі електричні процеси. Їхня рухливість у 2-3 рази вища, ніж у дірок. Крім того, властивості будь-якого приладу поліпшуються за рахунок того, що площа переходу колектора істотно перевищує площу переходу емітера.

Розглянемо роботу транзистора n-р-n-типу (мал. 51). До переходу база-емітер прикладають пряму напругу, під дією якої електрони n-області емітера спрямовуються в базу, створюючи струм емітера. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через р-n-перехід між базою та колектором. В електричному колі колектора формується струм колектора IK, значення якого пропорційне емітерному струму, IK = αІЕ.

Мал. 51. Принцип дії біполярного n-p-n транзистора

База виготовляється достатньо тонкою (частки мікрона), щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати. Рекомбінує 1-5% випущених емітером електронів з дірками бази, що викликає струм бази ІБ. Цей струм є небажаним і навіть шкідливим. Згідно з першим законом Кірхгофа, між струмами електродів біполярного транзистора завжди є справедливим співвідношення: ІEБ+IK.

Практичне значення має керування колекторним струмом потоком електронів, інжектованих через емітерний перехід. Звідси випливає головна властивість біполярного транзистора як керівного (активного) елемента: залежність вихідного (колекторного) струму від вхідної змінної величини (струму емітера або напруги на емітерному переході).

Якщо між базою та емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Залежно від того, в яких станах перебувають переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є два переходи (емітерний і колекторний) і кожний з них може перебувати у двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора:

  • відсікання, якщо обидва переходи закриті (максимальний опір);
  • насичення, якщо обидва переходи відкриті (мінімальний опір);
  • активний (режим підсилення), якщо на емітерний перехід подана пряму напругу зміщення, а на колекторний — зворотну (опір змінюється від мінімального до максимального);
  • інверсний, якщо емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий.

До польових транзисторів належать пристрої, в яких управління всіма процесами здійснюється електричним полем. У своїй конструкції ці прилади мають три контакти: виток, сток і затвор. Між витоком і стоком в кристалі напівпровідника, з якого виготовлений польовий транзистор, розташований канал, через який тече струм транзистора. Канал виконується з напівпровідника одного типу, n або р. Управління струмом, що проходить через канал, здійснюється шляхом зміни провідності каналу, яка залежить від напруги між затвором і витоком. На відміну від біполярних транзисторів, у яких струм транзистора від емітера до колектора тече послідовно через два р-n-переходи, у польових транзисторах струм тече через канал, який утворюється в напівпровіднику одного типу провідності, а через р-n-переходи не тече.

Зважаючи, що напрямок струму в польовому транзисторі: від витоку — через канал — до стоку, й управління струмом здійснюється напругою між затвором і витоком, то витік відповідає емітеру біполярного транзистора: сток — колектору, а затвор — базі.

Зміна провідності каналу може здійснюватися двома способами. Залежно від цього польові транзистори поділяють на два основні види: транзистори з керуючим р-n-переходом і транзистори з ізольованим затвором.

Мал. 52. Принцип дії полярного транзистора з керуючим p-n переходом

Розглянемо принцип дії польового транзистора з керуючим р-n-переходом. (мал. 52). Дія цього приладу ґрунтується на залежності товщини р-n-переходу від прикладеної до нього напруги. Оскільки p-n-перехід (запірний шар) майже цілком позбавлений рухомих носіїв заряду, його провідність майже дорівнює нулеві. Таким чином, у пластинці напівпровідника утвориться струмопровідний канал, перетин якого залежить від товщини p-n-переходу (запірного шару). Якщо увімкнути джерело живлення Е2, як показано на малюнку, то через пластинку напівпровідника між невипрямляючими контактами потече струм від витоку до стоку.

Напівпровідникова область, що використовується для управління величиною струму, який протікає через канал, називається затвором. До кожної з областей приєднуються виводи, що носять відповідні назви (витоку, стоку і затвора). Величина струму в каналі (при Е2 і RН = const) залежить від опору пластинки між стоком і витоком, тобто від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Джерело Е1 створює від’ємну напругу на затворі, що спричиняє збільшення товщини p-n-переходу та зменшення перетину каналу. Зі зменшенням перетину каналу збільшується опір між витоком і стоком та знижується величина струму Іc . А зменшення напруги на затворі викликає зменшення опору каналу і зростання струму Іc. Отже, струм, що протікає через канал, можна змінювати (модулювати).

Нині широкого поширення набули польові транзистори з ізольованим затвором, так звані МДН-транзистори (метал — діелектрик — напівпровідник) або МОН-транзистори (метал — окисел — напівпровідник).

Транзистор винайшли в 1947 р. Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Вільяма Шоклі з Bell Labs (Bell Labs — американська корпорація, великий дослідницький центр у сфері телекомунікацій, електронних і комп’ютерних систем, заснована в 1925 р.), за що отримали Нобелівську премію з фізики. Винахід транзистора став провідним у розвитку обчислювальної техніки (зокрема комп’ютерів). Завдяки напівпровідниковим діодам і транзисторам вдалося досягти збільшення надійності в роботі обчислювальної техніки і, що найголовніше, — зменшення габаритів і маси приладів.

Помітний внесок у створення транзистора зробив відомий вчений з України професор — Вадим Євгенович Лошкарьов (1903-1974), який відкрив біполярну дифузію носіїв електричного заряду в напівпровідниках. Вадим Євгенович Лошкарьов разом з українським ученим Корнієм Денисовичем Товстюком створили наукову школу з підготовки фахівців у галузі фізики напівпровідників.

Поява інтегральних схем, або кремнієвих чипів, у 70-ті роки ХХ ст. ознаменувала ще один великий етап в розвитку обчислювальної техніки, оскільки інтегральна схема здатна замінити тисячі транзисторів (мал. 53).

Мал. 53. Комп’ютерна плата з інтегральними мікросхемами

Інтегральна мікросхема — мініатюрний мікроелектронний виріб, елементи якого нерозривно зв’язані конструктивно, технологічно та електрично. Виконує певні функції перетворення і складається зі щільно упакованих та електрично з’єднаних між собою елементів і компонентів, які є одним цілим за вимогами до випробувань та експлуатації (мал. 54).

Мал. 54. Мініатюрний дрон з мікрочіпом

Розрізняють напівпровідникові, плівкові гібридні інтегральні схеми, які за видом оброблювальної інформації поділяють на цифрові та аналогові, за складністю і якістю оцінки — на малі, середні, великі та надвеликі. Надвелика інтегральна схема (НВІС) — інтегральна мікросхема зі ступенем інтеграції понад 1000 елементів у кристалі. Одна така інтегральна схема містить в собі десятки тисяч транзисторів, і всі вони розміщуються на кристалі кремнію, меншому за ніготь людини.

Світлодіод (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, коли через нього проходить електричний струм (мал. 55). Як і звичайний напівпровідниковий діод, світлодіод має p-n-перехід. У разі пропускання електричного струму у прямому напрямку носії заряду — електрони та дірки — рекомбінують з випромінюванням світлових частинок — фотонів. Колір випромінюваного світла світлодіодів залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника.

Мал. 55. Світлодіоди

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Де застосовують напівпровідники? Наведіть приклади напівпровідникових приладів. 2. Які типи транзисторів ви знаєте? 3. Як вдається керувати величиною струму колектора в біполярному транзисторі; у польовому транзисторі?

Експериментуємо

У двох непрозорих коробках вміщено по одному резистору, клеми яких виведено назовні. Визначте, в якій з коробок міститься напівпровідниковий резистор. Обладнання: термістор, омічний резистор, джерело живлення, гальванометр, реостат, сухий спирт, з’єднувальні провідники, вимикач.