Германиевые и кремниевые диоды

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами действие которого основано на использовании свойств односторонней проводимости р—n-перехода. Основными материалами для совре­менных диодов служат германий и кремний.

По конструкции германиевые и кремниевые диоды делятся на точечные и плоскостные.

Точечный диод (рис. 21, а) состоит из стеклянного или металли­ческого корпуса 1, в который помещены кристалл германия с n-проводимостью 2 и вольфрамовая проволочка 3, упирающаяся своим острием в этот кристалл. В результате специальной обработки под вольфрамовым острием создается область с р-проводимостью.

Точечные диоды имеют незначительную площадь запорного слоя и рассчитаны на малый рабочий ток.

У плоскостного диода (рис. 21, б) р —n-переход образуется вплавлением в кристалл германия n-типа 1 примеси индия 2.

Большая площадь р—n-перехода дает возможность использо­вать плоскостные диоды в установках со значительными токами.

Диоды, изготовленные на основе кремния, принципиально не отличаются от германиевых. Контактный р —n-переход создается сплавлением кремния с металлической, например алюминиевой пластинкой. По сравнению с германием кремний способен выдержи­вать более высокую температуру без нарушения полупроводнико­вых свойств; поэтому в кремниевых диодах допускается высокая плотность тока — до 200—300 А на один квадратный сантиметр поверхности р —n-перехода. При работе таких диодов выделяется довольно большое количество тепла, которое отводится с помощью радиаторов.

Обозначение диодов на схемах приведено на рис. 21, в.

Рис. 21. Устройство полупроводниковых диодов:

а — точечного; б — плоскостного; в — условное обозначение.

Тиристоры

Как известно, обычные полупроводниковые приборы использу­ются для выпрямления переменного тока в постоянный благодаря их вентильному свойству. Рассматривая это свойство, мы говорили, что диод начинает пропускать ток, как только к нему будет прило­жено напряжение в прямом направлении, причем ток будет прохо­дить через диод независимо от величины напряжения. При обратной полярности источника тока обычный диод запирается и через него течет очень малый обратный ток.

Рис. 22. Тиристор:

а —  неуправляемый; б — управляемый.

Сравнительно недавно были созданы специальные полупро­водниковые приборы, устройство и принцип действия которых со­вершенно отличаются от обычных диодов. Они получили название тиристоров.

Тиристор — это полупроводниковый прибор структуры р — п — р — п, содержащий три р —n-перехода (рис. 22, а). Если подключить такой прибор к источнику электроэнергии, то при любой полярнос­ти включения через него будет проходить лишь небольшой обратный ток I_oбр, т. е. тиристор будет заперт, ибо по крайней мере один из р —п-переходов окажется включенным в обратном направлении. Теперь подключим тиристор так, чтобы на зажим А был подан минус, а на зажим Б — плюс источника. При малых напряжениях прибор остается запертым, так как один из трех р —n-переходов, а именно переход П₂, оказывается включенным в обратном направлении. Если теперь постепенно увеличивать напряжение, то при каком-то его значении электроны и дырки, находящиеся в тонком слое П₂, разрывают одну из валентных связей кремния, находящегося в области перехода. Образовавшаяся при этом пара свободных заря­дов — электрон и дырка — под действием напряжения разрывают еще две связи, в результате чего появляются уже две пары свобод­ных зарядов, затем 4, 8 и т. д. пар. Подобное явление можно срав­нить с ударной ионизацией газа: в переходе П₂ возникает ионизация, количество свободных зарядов лавинообразно возрастает и проис­ходит так называемый лавинный пробой перехода. При этом тири­стор начинает свободно проводить ток от зажима Б к зажиму А. Таким образом, главное отличие тиристора от полупроводникового диода заключается в том, что он начинает проводить ток не при лю­бом, а лишь при определенном, достаточно большом напряжении. В этом отношении работа тиристора во многом схожа с работой газо­трона, который, как известно, начинает работать только в том слу­чае, если напряжение на нем достигает напряжения зажигания.

Однако приводить в действие тиристор резким повышением на­пряжения не всегда удобно, поэтому созданы специальные конструк­ции тиристоров, которые могут начинать работу при любой величине приложенного напряжения. Такие тиристоры называются управля­емыми.

Управляемый тиристор (рис. 22, б), кроме выводов А и Б, имеет еще один дополнительный вывод В, который подключен к средней n-области. Работа управляемого тиристора подобна работе неуправляемого, но здесь момент отпирания прибора зависит от величины напряжения управления, которое подается к зажимам В и Б. Теперь для начала работы тиристора нет необходимости повы­шать напряжение на выводах А и Б, а достаточно подать небольшое напряжение U_упр. Чем больше величина управляющего напряжения, тем при меньших напряжениях источника начинает работать ти­ристор. Таким образом, изменяя величину управляющего напряже­ния, можно регулировать момент включения прибора. По принципу действия тиристор можно сравнить с тиратроном, у которого момент зажигания регулируется величиной потенциала, подаваемого на сетку.

Так же как и тиратроны, управляемые тиристоры применяются в схемах выпрямителей, позволяющих регулировать величину вы­прямленного напряжения. К достоинствам тиристоров можно от­нести малое внутреннее сопротивление, большой рабочий ток и очень высокий КПД.

Транзисторы

Транзистор — это полупроводниковый триод, состоящий из двух р —n-переходов.

Транзисторы, так же как и полупроводниковые диоды, могут быть плоскостными и точечными; в настоящее время наиболее рас­пространены плоскостные транзисторы.

В металлическом герметическом корпусе 1 плоскостного тран­зистора (рис. 23, а) с помощью держателя 2 закреплен в вертикаль­ном положении кристалл германия 3 с n-проводимостью, который является базой транзистора. Основание имеет электрический кон-такт с корпусом, к кото­рому приварен контактный проводник О — вывод ба­зы. На противоположных гранях кристалла созданы области с р-проводимостью. Одна область явля­ется электродом управляющей цепи и называется эмиттером (вывод Э), а вторая область служит электродом управляемой цепи и называется коллек­тором (вывод К). Таким образом, транзистор имеет две области с дырочной про­водимостью, разделенные областью с электронной проводимостью. Сущест­вуют также транзисторы типа п — р — п, у которых эмиттер и коллектор имеют n-проводимость, а основа­ние — р-проводимость (рис. 23, б). Рассмотрим принцип работы транзистора типа n— р—п. Подклю­чим к р— n-переходу, образованному основанием и коллектором, источник постоянного тока Е_к (рис. 24), причем положительный полюс источника подключим к коллектору, а отрицательный — к базе. В этом случае между коллектором и базой потечет весьма не­значительный ток I_oбр, обусловленный неосновными носителями за­рядов. Прямой же ток I_пр будет отсутствовать, так как источник включен в обратном направлении.

Рис. 23. Устройство транзистора: с — типа р — п — р;  б —типа п — р — п.

 

Если теперь к левому р —n-переходу, образованному эмиттером и основанием, подключить источник Е_э с соблюдением полярности, указанной на рисунке, то между эмиттером и базой потечет ток. Запорный слой эмиттерного р —n-перехода при таком включении источника Е_э имеет малое сопротивление, что определяет переме­щение электронов из n - области в очень узкую (4—5 мкм) p-область базы. Здесь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками, а основное количество (98—99%), попадая в сферу дей­ствия большого напряжения источника Е_к, преодолевает сопротив­ление р —n-перехода и попадает в коллектор.

 

Рис. 24. Включение п — р — n-перехода.

 

Можно считать, что ток эмиттерного перехода I_э и ток коллек­торного перехода I _к равны по величине. При этом любому изменению тока эмиттера будут соответствовать точно такие же изменения тока коллектора. Так как сопротивление эмиттерного р —n-перехода незначительно, то для создания эмиттерного тока достаточно раз­ности потенциалов в несколько десятых долей вольта. В то же вре­мя источник Е_к подключен к коллекторному р —n-переходу в обрат­ном направлении и сопротивление этого перехода достигает несколь­ких мегом. Поэтому для создания коллекторного тока источник Е_к должен иметь значительно большее напряжение, чем источник Е_э (до нескольких десятков вольт).

Учитывая, что токи эмиттерного и коллекторного и переходов примерно равны по величине, а напряжение на эмиттерном пере­ходе значительно меньше, чем на коллекторном, можно сделать важ­ный вывод, что мощность коллекторной цепи будет во много раз большей, чем эмиттерной. Поэтому рассмотренный транзистор явля­ется усилителем мощности.

Принцип работы транзисторов типа р —n— р аналогичен. Раз­ница состоит в том, что основными носителями зарядов являются не электроны, а дырки.

Наша промышленность выпускает обширный ассортимент тран­зисторов разных типов, предназначенных для усиления, генерирова­ния или преобразования электрических колебаний. Конструкция транзисторов в зависимости от их габаритов, назначения, условий эксплуатации может быть различной, но в основе работы большинства из них лежит описанный выше принцип.

ВЫПРЯМИТЕЛИ