В современной электрической технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они практически стопроцентно вытеснили электровакуумные приборы. В любом полупроводниковом приборе имеется один либо несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (либо n–p-переход) – это область контакта 2-ух полупроводников с различными типами проводимости. В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация существенно превосходит концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn).

При контакте 2-ух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области перебегают в n-область, а электроны, напротив, из n-области в p-область. В итоге в n-области поблизости зоны контакта миниатюризируется концентрация электронов и появляется положительно заряженный слой. В p-области миниатюризируется концентрация дырок и появляется негативно заряженный слой. Таким макаром, на границе полупроводников появляется двойной электронный слой, электронное поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг дружке (рис. 4.14.1).

Пограничная область раздела полупроводников с различными типами проводимости (так именуемый запирающий слой) обычно добивается толщины порядка 10-ов и сотен межатомных расстояний. Большие заряды этого слоя делают меж p- и n-областями запирающее напряжение Uз, примерно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых. n–p-переход обладает необычным свойством однобокой проводимости.

1

Набросок 4.14.1. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n-типов.

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое растет. Дырки в p-области и электроны в n-области будут сдвигаться от n–p-перехода, увеличивая тем концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход фактически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в данном случае именуют оборотным. Очень малозначительный оборотный ток обоснован только своей проводимостью полупроводниковых материалов, другими словами наличием маленький концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области. Если n–p-переход соединить с источником так, чтоб положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электронного поля в запирающем слое будет уменьшаться, что упрощает переход главных носителей через контактный слой.

Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг дружке, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в данном случае будет возрастать при увеличении напряжения источника. Способность n–p-перехода пропускать ток фактически исключительно в одном направлении употребляется в устройствах, которые именуются полупроводниковыми диодиками. Полупроводниковые диоды делаются из кристаллов кремния либо германия. При их изготовлении в кристалл c любым типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости. Полупроводниковые диоды употребляются в выпрямителях для преобразования переменного тока в неизменный. Обычная вольт-амперная черта кремниевого диодика приведена на рис. 4.14.2.

2

Набросок 4.14.2. Вольт-амперная черта кремниевого диодика. На графике применены разные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Полупроводниковые диоды владеют многими преимуществами по сопоставлению с вакуумными диодиками – малые размеры, долгий срок службы, механическая крепкость. Значимым недочетом полупроводниковых диодов является зависимость их характеристик от температуры. Кремниевые диоды, к примеру, могут удовлетворительно работать исключительно в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов спектр рабочих температур несколько обширнее. Полупроводниковые приборы не с одним, а с 2-мя n–p-переходами именуются транзисторами. Заглавие происходит от сочетания британских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для сотворения транзисторов употребляют германий и кремний.

 Транзисторы бывают 2-ух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. К примеру, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой маленькую пластинку из германия с донорной примесью, другими словами из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, другими словами области с дырочной проводимостью (рис. 4.14.3). В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а сделанные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 4.14.4). Пластинку транзистора именуют базой (Б), одну из областей с обратным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превосходит объем эмиттера. В условных обозначениях различных структур стрелка эмиттера указывает направление тока через транзистор.

3

Набросок 4.14.3. Транзистор структуры p–n–p.

4

Набросок 4.14.4. Транзистор структуры n–p–n.

Оба n–p-перехода транзистора соединяются с 2-мя источниками тока. На рис. 4.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» врубается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора). Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, потому что для главных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

5

Набросок 4.14.5. Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры.

При замыкании цепи эмиттера дырки – главные носители заряда в эмиттере – перебегают из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и просачивается в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтоб ток коллектора был фактически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень узкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера меняется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 4.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также появляется переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превосходить амплитуду входного сигнала. Как следует, транзистор играет роль усилителя переменного напряжения.

Но, такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, потому что в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтоб через него протекал только маленький ток базы Iб = Iэ – Iк. Малые конфигурации тока базы вызывают значимые конфигурации тока коллектора.

Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен. В текущее время полупроводниковые приборы находят только обширное применение в радиоэлектронике. Современная разработка позволяет создавать полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Отменно новым шагом электрической техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их внедрения.

Интегральной микросхемой именуют совокупа огромного числа взаимосвязанных частей – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, сделанных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см2 может содержать несколько сотен тыщ микроэлементов. Применение микросхем привело к революционным изменениям в почти всех областях современной электрической техники. Это в особенности ярко проявилось в области электрической вычислительной техники. На замену массивным ЭВМ, содержащим 10-ки тыщ электрических ламп и занимавшим целые строения, пришли индивидуальные компы.