Характерным признаком полупроводников, выделяющим их в особый класс веществ, является сильная зависимость их электропроводности от концентрации примесей и энергетических воздействий (температуры, света и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около 5 % на ГС), тогда как у металлов проводимость снижается, причем незначительно (на десятые доли процента на ГС). Введение в полупроводник даже небольшого количества легирующих примесей (около 10 %) существенно увеличивает его проводимость. В электронике находит применение лишь ограниченное число известных полупроводников - германий, кремний, арсенид галия. Бор, фосфор, мышьяк и другие используют в качестве легирующих примесей. Большинство полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния.
Полупроводники, применяемые в электронике, имеют монокристаллическую структуру. Это значит, что по всему их объему атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. В такой идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако в полупроводниках сравнительно небольшие электрические воздействия (нагрев, облучение) приводят к отрыву некоторых электронов от своих атомов. Такие электроны называют электронами проводимости. Они перемещаются по кристаллической структуре и улучшают ее электропроводность. При уходе электрона из атома в кристаллической решетке образуется незаполненная связь (дырка). Ей присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Это приводит к хаотическому возникновению дырок в связях других атомов, что эквивалентно хаотическому перемещению положительных зарядов. При наличии внешнего электрического поля дырка будет двигаться в направлении, определяемом силами поля, в кристалле возникает электрический ток. Движение электронов и дырок в полупроводнике обуславливает его собственную электропроводность. Она мала, ее можно улучшить, вводя в монокристалл легирующие примеси. Практически не существует полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью. Электропроводность полупроводников определяется основными носителями заряда, концентрация которых намного больше концентрации неосновных носителей. По функциональным возможностям полупроводниковые приборы можно разделить на три основных класса: диоды, транзисторы и тиристоры.
Диод (рис. 4.1) представляет собой пассивный нелинейный полупроводниковый прибор с двумя электродами - анодом и катодом.
Он проводит ток в прямом направлении, когда к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду - отрицательный, и не проводит ток в обратном направлении. Пассивным он называется потому, что не усиливает мощность передаваемого сигнала.
Рис. 4.1.Полупроводниковый диод
Транзистор (рис. 4.2) это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который может усиливать сигнал по мощности.
Рис. 4.2. Биполярный транзистор
Тиристор (рис. 4.3) это управляемый полупроводниковый прибор, который используется только в ключевом режиме (открыт-закрыт).
Рис. 4.3.Тиристор
Рассмотрим более подробно эти полупроводниковые приборы.
4.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Слово "диод" образовано от греческих слов "ди" - два и сокращенного "(электр)од". До сих пор мы изучали линейные элементы - резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Это значит, что при удвоении приложенного к ним напряжения сила тока тоже удваивается. Вольтамперная характеристика (ВАХ) этих элементов является прямой линией. Диод является нелинейным элементом, поэтому его ВАХ нелинейная (рис. 4.4).
Рис. 4.4.Вольт-амперная характеристика диода
Обратный ток для диодов общего назначения измеряется в долях микроампер (обратите внимание на разный масштаб измерений прямого и обратного тока!), его обычно не принимают во внимание до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет значения напряжения пробоя. В этом случае обратный ток диода возрастает до значений, соизмеримых с прямым током, и диод выходит из строя.
Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях Uaк, однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя.
На рис. 4.5 приведена ВАХ германиевого и кремниевого диодов для положительных напряжений. Следует иметь ввиду (см. рис. 4.5), что германиевые диоды открываются в прямом направлении при напряжении 0,2…0,4 В, а кремниевые - при 0,6…0,8 В, и что германиевые диоды имеют меньшее сопротивление в прямом, направлении чем кремниевые. И еще следует отметить: с повышением температуры и прямой и обратный токи увеличиваются.
Рис. 4.5. ВАХ германиевого и кремниевого диодов
По диапазону частот, в котором могут работать диоды, их подразделяют на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ). По назначению НЧ диоды подразделяют на выпрямительные, стабилизирующие, импульсные, а ВЧ диоды - на детекторные, смесительные и другие.
Рассмотрим параметры диодов. Различают параметры номинального и предельного режимов работы. Номинальное значение параметра соответствует нормальному режиму работы. Параметры предельного режима характеризуют их максимально допустимые значения, при которых обеспечивается надежность прибора при длительной работе.
Здесь рассмотрим параметры наиболее широко распространенных групп выпрямительных (используемых для выпрямления переменного тока) и универсальных (используемых в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекторов больших и малых сигналов и т. д.) диодов. Диоды применяют в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Средний выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (среднее значение за период), проходящий через диод, при котором обеспечивается его надежная и длительная работа. Значение этого тока ограничивается максимальной мощностью Рмакс, рассеиваемой диодом. Превышение этого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.
Прямое падение напряжения Uпр. ср - среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
Допустимое обратное напряжение Uобр - среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и выходу диода из строя. С повышением температуры значения обратного напряжения и прямого тока снижаются.
Обратный ток Iобр - среднее значение за период обратного тока при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше выпрямительные свойства (свойства односторонней проводимости) диода. Повышение температуры на каждые 10С приводит к увеличению обратного тока у германиевого и кремниевого диодов в 1,5…2 раза и более.
Максимальная постоянная, или средняя за период, мощность Рмакс, рассеиваемая диодом, при которой он может длительно работать, не изменяя своих параметров.
Предельный режим использования диодов характеризует максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс и максимальный выпрямленный ток Iпр. макс.
Основные параметры наиболее распространенных диодов приведены в таблице 4.2.
* В числителе - максимально допустимый импульсный прямой ток, в знаменателе - максимально допустимый постоянный или средний прямой ток.
Если в вашей "кладовке" не оказалось нужного диода, то можно его заменить другим, т. е. найти ему аналог (см. табл. 4.3).
Внешний вид диодов показан на рис. 4.6.