Полупроводникови резистори. Cheat sheet: Полупроводникови диоди и транзистори, техните области на приложение Московски минен държавен университет

Подготвени

Ученик от 10 "А" клас

Училище No610

Ивчин Алексей

Резюме по темата:

„Полупроводникови диоди и транзистори, техните области на приложение”

1. Полупроводници: теория и свойства

2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)

3. Видове полупроводникови устройства

4. Производство

5. Обхват на приложение

1. Полупроводници: теория и свойства

Първо трябва да се запознаете с механизма на проводимостта в полупроводниците. И за да направите това, трябва да разберете естеството на връзките, които държат атомите на полупроводников кристал близо един до друг. Например, помислете за силициев кристал.

Силицият е четиривалентен елемент. Това означава, че във външния

обвивката на атома има четири електрона, относително слабо свързани

с ядрото. Броят на най-близките съседи на всеки силициев атом също е равен на

четири. Взаимодействието на двойка съседни атоми се осъществява с помощта на

пайоноелектронна връзка, наречена ковалентна връзка. В образованието

тази връзка от всеки атом включва един валентен електрон, ко-

които се отделят от атоми (колективизирани от кристала) и кога

в своето движение те прекарват по-голямата част от времето си в пространството между

съседни атоми. Техният отрицателен заряд държи положителните силициеви йони близо един до друг. Всеки атом образува четири връзки със своите съседи,

и всеки валентен електрон може да се движи по една от тях. След като достигне съседен атом, той може да премине към следващия, а след това по-нататък по целия кристал.

Валентните електрони принадлежат на целия кристал. Двойно-електронните връзки на силиция са доста здрави и не се разрушават при ниски температури. Следователно силицият не провежда електрически ток при ниски температури. Валентните електрони, участващи в свързването на атомите, са здраво свързани с кристалната решетка и външното електрическо поле не оказва забележимо влияние върху тяхното движение.

Електронна проводимост.

Когато силицийът се нагрява, кинетичната енергия на частиците се увеличава и

отделните връзки са прекъснати. Някои електрони напускат своите орбити и стават свободни, като електрони в метал. В електрическо поле те се движат между възлите на решетката, образувайки електрически ток.

Проводимостта на полупроводниците се дължи на наличието на свободни метали

електрони електрони се нарича електронна проводимост. С повишаването на температурата броят на скъсаните връзки и следователно на свободните електрони се увеличава. При нагряване от 300 до 700 К броят на свободните носители на заряд нараства от 10,17 на 10,24 1/m.3. Това води до намаляване на съпротивлението.

Проводимост на дупки.

Когато връзката се скъса, се образува празно място с липсващ електрон.

Нарича се дупка. Дупката има излишен положителен заряд в сравнение с други нормални връзки. Позицията на отвора в кристала не е постоянна. Следният процес протича непрекъснато. един

от електроните, които осигуряват връзката на атомите, скача до мястото на обмен

образува дупки и възстановява двойката-електронна връзка тук.

и където този електрон е скочил, се образува нова дупка. Така

Така дупката може да се движи из целия кристал.

Ако силата на електрическото поле в пробата е нула, тогава движението на дупките, еквивалентно на движението на положителните заряди, се случва произволно и следователно не създава електрически ток. В присъствието на електрическо поле възниква подредено движение на дупките и по този начин електрическият ток, свързан с движението на дупките, се добавя към електрическия ток на свободните електрони. Посоката на движение на дупките е противоположна на посоката на движение на електроните.

И така, в полупроводниците има два вида носители на заряд: електрони и дупки. Следователно полупроводниците имат не само електронна, но и дупкова проводимост. Проводимостта при тези условия се нарича присъща проводимост на полупроводниците. Вътрешната проводимост на полупроводниците обикновено е ниска, тъй като броят на свободните електрони е малък, например в германий при стайна температура ne = 3 на 10 в 23 cm в –3. В същото време броят на германиеви атоми в 1 кубичен см е около 10 на 23. По този начин броят на свободните електрони е приблизително една десет милиардна от общия брой атоми.

Съществена характеристика на полупроводниците е, че те

в присъствието на примеси, заедно с присъщата проводимост,

допълнителна - примесна проводимост. Чрез промяна на концентрацията

примеси, можете значително да промените броя на носителите на заряд

или друг знак. Благодарение на това е възможно да се създават полупроводници с

преобладаващата концентрация е отрицателна или положителна

силно заредени носители. Тази характеристика на полупроводниците е открита

предоставя широки възможности за практическо приложение.

Донорни примеси.

Оказва се, че в присъствието на примеси, например атоми арсен, дори при много ниски концентрации, броят на свободните електрони се увеличава в

много пъти. Това се случва по следната причина. Атомите на арсена имат пет валентни електрона, четири от които участват в създаването на ковалентна връзка между този атом и околните атоми, например със силициеви атоми. Петият валентен електрон изглежда е слабо свързан с атома. Той лесно напуска атома на арсена и става свободен. Концентрацията на свободни електрони нараства значително и става хиляда пъти по-голяма от концентрацията на свободни електрони в чист полупроводник. Примесите, които лесно отдават електрони, се наричат ​​донорни примеси и такива полупроводници са полупроводници от n-тип. В n-тип полупроводник електроните са основните носители на заряд, а дупките са малцинствените носители на заряд.

Акцепторни примеси.

Ако индий, чиито атоми са тривалентни, се използва като примес, тогава естеството на проводимостта на полупроводника се променя. Сега, за да образува нормална двойка електронни връзки със своите съседи, атомът на индия не го прави

получава електрон. В резултат на това се образува дупка. Броят на дупките в кристала

tale е равен на броя на примесните атоми. Този вид примес е

се наричат ​​акцепторни (приемащи). При наличие на електрическо поле

дупките се смесват в полето и възниква дупкова проводимост. от-

полупроводници с преобладаваща дупкова проводимост над електронната

Наричат ​​се полупроводници от p-тип (от думата positiv - положителен).

2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)

Има два основни полупроводникови устройства: диод и транзистор.

Характеристиката ток-напрежение за права и обратна връзка е показана на фигура 2.

Те замениха лампите и се използват много широко в техниката, главно за токоизправители; диодите също намериха приложение в различни устройства.

Транзистор.

Левият pn преход е директен и разделя основата от областта от p-тип, наречена емитер. Ако нямаше десен p–n преход, щеше да има ток във веригата емитер-база, в зависимост от напрежението на източниците (батерия B1 и източникът на променливо напрежение

съпротивление) и съпротивление на веригата, включително ниско директно съпротивление

Еднопосочната проводимост на контактите между два полупроводника (или метал към полупроводник) се използва за изправяне и преобразуване на променливи токове. Ако има един преход електрон-дупка, тогава неговото действие е подобно на действието на два

електродна лампа - диод Следователно се нарича полупроводниково устройство, съдържащо един p-n преход полупроводников (кристален) диод. полупроводник диоди по конструкция се делят на точка И планарен. Ако през диод се прокара краткотраен токов импулс в права посока, се образува слой с p-проводимост. На границата на този слой се образува pn преход с висок коефициент на изправяне. Поради ниския капацитет на контактния слой, точковите диоди се използват като детектори (изправители) на високочестотни трептения до сантиметровия диапазон на дължината на вълната.

p-n преходите не само имат отлични коригиращи свойства, но могат да се използват и за усилване, а ако във веригата се въведе обратна връзка, след това за генериране на електрически трептения. Устройствата, предназначени за тези цели са

получи името полупроводникови триоди или транзистори. Германий и силиций се използват за производството на транзистори, тъй като се характеризират с голяма механична якост, химическа устойчивост и по-голяма от другите

полупроводници, подвижност на токоносители. Полупроводниковите триоди се делят на точка И планарен. Първите значително повишават напрежението, но изходните им мощности са ниски поради опасност от прегряване (например горната граница на работната

Температурата на точковия германиев триод е в диапазона 50 - 80 °C. Планарните триоди са по-мощни. Може да са като п-п-пи тип п-п-пв зависимост от редуването на области с различна проводимост. Транзисторвключва бази (средната част на транзистора), излъчвател И колектор (области, съседни на основата от двете страни с различен тип проводимост)

мостове). Между емитера и основата се прилага постоянно преднапрежение, а между основата и колектора се прилага постоянно напрежение в обратна посока. Усиленото захранване с променливо напрежение -

към входния импеданс , а усилената се премахва от изходното съпротивление. Токов поток в емитерната верига

се причинява главно от движението на дупки (те са основните носители на ток) и се придружава от тяхното инжектиране - инжекция - към основната площ. Отворите, които проникват в основата, дифундират към колектора и то с малка дебелина

Не в основата, значителна част от инжектираните отвори достига до колектора. Тук дупките се улавят от полето, действащо вътре в прехода (привлечено към отрицателно заредения колектор), в резултат на което колекторният ток се променя. Следователно всички

Някои промени в тока в емитерната верига причиняват промяна в тока в колекторната верига. Транзистор, като вакуумна тръба,

дава увеличение както на напрежението, така и на мощността.

25.(Сила на Лоренц. Работа на силата на Лоренц. Ефект на Хол)

Сила, действаща върху електрически заряд Q,движещи се в магнитно поле със скорост V , Наречен Сила на Лоренц и се изразява с формулата, където IN- индукция на магнитното поле, в което се движи зарядът.

Модул на силата на Лоренц , където α е ъгълът между vИ IN.Силата на Лоренц винаги е перпендикулярна на скоростта на движение на заредена частица, така че тя променя само посоката на тази скорост, без да променя нейния модул. следователно Сила на Лоренц

не върши никаква работа. С други думи, постоянното магнитно поле не извършва работа върху заредена частица, движеща се в него, и кинетичната енергия на тази частица не се променя, когато се движи в магнитно поле. Ако на движещ се електрически

заряд в допълнение към магнитното поле с индукция INима и електрическо поле с интензитета Д,тогава резултантната сила Е,приложен към заряда е равен на векторната сума на силите - силата, действаща от електрическото поле и силата на Лоренц: Посоката на силата на Лоренц и посоката на предизвиканото от нея отклонение на заредена частица в магнитно поле зависи от знака на заряда Qчастици.

Ефект на Хол (1879) е появата в метал (или полупроводник) с плътност на тока j,поставени в магнитно поле IN,електрическо поле в посока, перпендикулярна на IN Да сей. Нека поставим метална пластина с плътност на тока йкъм магнитен

поле IN,перпендикуляр j .За дадено направление йскоростта на токоносителите в метала - електроните - е насочена отдясно наляво. Електроните изпитват силата на Лоренц, която в този случай е насочена нагоре. Така в горния край на плочата ще има повишена концентрация на електрони (тя ще бъде отрицателно заредена), а в долния край ще има липса на електрони (тя ще бъде заредена положително). В резултат на това между краищата на плочата ще възникне допълнително напречно електрическо поле Ев,насочени отдолу нагоре. При напрежение ЕвТова напречно поле достига такава стойност, че действието му върху зарядите ще балансира силата на Лоренц, след което ще се установи стационарно разпределение на зарядите в напречна посока.

Тогава къде А- ширина на плочата; ∆f - напречна (на Хол) потенциална разлика.

Като се има предвид, че силата на тока I = jS =nevS (S- площ на напречното сечение на дебелината на плочата г, н- електронна концентрация, v - средна скорост на подредено движение на електрони, j-плътност на тока = env), получаваме т.е. Напречната потенциална разлика на Хол е пропорционална на магнитната индукция IN,сила на тока/ и е обратно пропорционална на дебелината на плочата д.

- Хол константа, в зависимост от веществото. отизмерената стойност на константата на Хол може да бъде: 1) определена

концентрация на токоносители в проводника (с известен характер на проводимостта и заряда на носителите); 2) преценете естеството на проводимостта на полупроводниците, тъй като знакът на константата на Хол съвпада със знака на заряда e на токоносителите. Следователно ефектът

Ефектът на Хол е най-ефективният метод за изследване на енергийния спектър на носители на ток в метали и полупроводници.

Основният елемент на повечето полупроводникови елементи е p-n преходът.

p-n преход е областта на границата на p и n тип полупроводници.

Обикновено pn преходът може да бъде показан както следва:

Експеримент 14.3.Полупроводников диод.

Цел на работата:

Изучете принципа на работа на полупроводников диод.

Оборудване:

1. Регулируем източник на променливотоково напрежение

2. Осцилоскоп

3. Стойка със схема

Напредък.

1. Инсталацията се състои от източник на регулируемо променливо напрежение, осцилоскоп и стойка със схема. На входа на стойката се подава променливо напрежение от източника. На екрана на осцилоскопа се наблюдава синусоида. Ако увеличите или намалите приложеното напрежение, амплитудата на синусоидалния сигнал, видим на екрана на осцилоскопа, съответно се увеличава или намалява.

2. Да проучим природата на тока, протичащ през диода. Напрежението, влизащо в стойката, се прилага към краищата на верига, състояща се от резистор и диод, свързани последователно. В резултат на това през веригата вече не протича променлив ток, а пулсиращ ток, тъй като диодът коригира тока. Той позволява на тока да преминава в едната посока, а не в другата. На диаграмата диодът е изобразен по такъв начин, че върхът на триъгълника, на този етап е насочен нагоре, показва посоката на тока, преминаващ през диода. За да разберете какво е естеството на тока, преминаващ през диода, към вертикалния усилвател се прилага напрежение, което се отстранява от краищата на съпротивлението. Това напрежение е пропорционално на тока, протичащ през съпротивлението. Наблюдава се, че токът през диода всъщност протича само в една посока. Половин период няма ток - хоризонтални участъци, половин период тече тока. Това са половини на синусоиди, които гледат надолу. Но ако промените напрежението, подадено към входа на стойката, количеството ток, протичащ през диода, също ще се промени. Ако завъртите диода на 180 градуса, върхът на триъгълника в диаграмата ще бъде насочен надолу, т.е. посоката на тока, протичащ през диода, ще се промени. Сигналът на екрана на осцилоскопа изчезна. Диодът се отстранява от стойката и сигналът отново се появява на екрана на осцилоскопа. Сега обаче тези полупериоди, които съответстват на протичането на ток през диода, се показват като половини на синусоида, насочена нагоре.

3. Характеристика на ток-напрежение на диод - връзката между тока, протичащ през диода, и напрежението, подадено към диода. Токът, протичащ през диода, все още е пропорционален на напрежението в краищата на резисторите. Това напрежение се подава към вертикалния вход на осцилоскопа, а хоризонталният вход се подава от напрежението от краищата на тази верига; то е пропорционално на напрежението на диода. В резултат на това на екрана на осцилоскопа се наблюдава ток-напрежението на диода. Няма токов полупериод, това е хоризонтален участък от тази характеристика и токът протича за половин период. Законът на Ом е изпълнен тук до известна степен. Количеството ток, протичащ през диода, е пропорционално на напрежението, приложено към диода. Ако увеличите или намалите напрежението, приложено към диода, токът, протичащ през диода, съответно се увеличава или намалява.

Заключение:

Еднопосочната проводимост на pn прехода позволява да се създаде изправително полупроводниково устройство, така нареченият полупроводников диод.

1. Знакът на проводимостта съответства на знака на източника, тогава дупките ще се преместят наляво, електроните надясно. През р-нпреход, ще тече електрически ток, състоящ се от електрони и дупки.

2. Знакът на проводимостта е противоположен на знака на източника, тогава носителите на заряд се движат към полюсите, без да пресичат контактната граница на полупроводника, през p-n прехода не протича ток, следователно p-n преходът има еднопосочна проводимост.

pn преход се използва в полупроводникови диоди.

Транзисторът е полупроводниково устройство, което се състои от два pn прехода, свързани гръб до гръб. Емитерът е областта на транзистора, откъдето идват носителите на заряд. Колекторът е област, в която протичат носители на заряд. Основата изпълнява роля, подобна на тази на контролната решетка в лампата.

Транзисторите служат за усилване на електрически сигнали, тъй като малка промяна в напрежението между емитера и основата води до голяма промяна в напрежението върху товара, свързан в колекторната верига.

Опит 14.4Транзисторен DC усилвател

Оборудване:

1. Транзистор на стойка;

2. Фотодиод на стойка;

3. Източник на ток V-24;

4. Свързващи проводници;

5. Електрическа крушка;

6. Два демонстрационни галванометъра;

Монтажна схема:

Когато фотоклетката е затъмнена, токът е малък. Ако фотоклетката е осветена, токът в секцията G2 се увеличава.

Тестове към лекция No14

Тест 14.1.Какви изводи могат да се направят от резултатите от експеримента, демонстриращ зависимостта на съпротивлението на полупроводниците от температурата?

£ С повишаването на температурата на полупроводника неговото съпротивление нараства

£ Съпротивлението на полупроводника не зависи от неговата температура

£ С повишаването на температурата на полупроводника неговото съпротивление намалява

£ Съпротивлението на полупроводника не зависи значително от неговата температура

Тест 14.2.Как се нарича материал, чиито електрически свойства силно зависят от концентрацията на химически примеси в него и външните условия?

£ свръхпроводник.

£ магнитоелектричен.

£ фероелектрик.

£ полупроводник.

Тест 14.3.Как се нарича квазичастица, чийто заряд по модул е ​​равен на заряда на електрона и чиято маса е равна на масата на електрона?

£ неутрон

£ "дупка"

£ α-частица

£ позитрон

Тест 14.4.Какво е името на полупроводниково устройство, което се състои от две pn преходи, свързани гръб до гръб?

£ транзистор

£ колекционер

£ галванометър

£ тиристор

Тест 14.5.Как се казва транзисторната област, откъде идват?

носители на заряд?

£ колекционер

излъчвател

£фотоклетка

£ ценеров диод

Тестове към глава No3.

Тест 1. Какво се разбира под сили на трети страни?

£ Сили с неелектростатичен произход.

£ Сили, причинени само от химични процеси.

£ Само механични сили (сили, приложени за въртене на ротора на генератора).

£ Сили от електрически произход.

Тест 2. Физическо количество, характеризиращо се с преминаване на заряд през проводникова площ от единица площ за единица време, е...

£ сила на тока.

£ плътност на тока.

£ напрежение.

£ електрическо съпротивление.

Тест 3. Когато два проводника са свързани последователно към постояннотокова мрежа, токът в мрежата е 6,25 пъти по-малък, отколкото когато същите проводници са свързани паралелно. Колко пъти се различават съпротивленията на проводниците?

Тест 4. От какво зависи поляризационният вектор в диелектрик?

диелектричен състав

£ размер на диелектрика

£ електрическа индукция

£ напрегнатост на полето в диелектрика

£наличие на свободни заряди в диелектрика

Тест 5. Изберете правилните изводи, произтичащи от експеримента, показващ зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата?

Съпротивлението на проводника не зависи от температурата

С повишаване на температурата на проводника, неговото съпротивление нараства

Тъй като температурата на проводника намалява, съпротивлението му се увеличава

С повишаване на температурата на проводника съпротивлението му намалява

С намаляването на температурата на проводника неговото съпротивление намалява

Тест 6. През коя година е открито явлението свръхпроводимост от Камерлинг-Онес?

Тест 7. Ако има N-възли в разклонена верига, тогава за какъв брой възли могат да се съставят независими уравнения? .

Тест 8.

При паралелно свързване на проводници за тях е същото:

Тест 9.

Маркирайте формулите за последователно свързване на проводници:

£

£

£

£

£

Тест 10. Формулировката „феноменът на директно преобразуване на топлина в електричество в твърди или течни проводници, както и обратното явление на директно нагряване и охлаждане на кръстовища на два проводника чрез преминаване на ток“ е определението ...

£термоелектричество

£термо-ЕМП

£ Ефект на Фарадей

Ефект на Хол

Тест 11. Какво определя стойността на термо-ЕМП на термодвойка?

£ от температурната разлика на кръстовището+

£ от специфичната термо-ЕМП на двата проводника

£ от разликата в напрежението

£ от потенциалната разлика

Тест 12. Формулировката „Разликата в електрическите потенциали, възникваща между контактиращи тела при условия на термодинамично равновесие“ е определение...

£ разлика в контактното напрежение.

£ разлика в контактното съпротивление.

£ контактна разлика на йони.

£ контактна потенциална разлика .

£контакт текуща разлика

Тест 13 . Разтворите на соли, основи, киселини са...

£ електролити

£ полуелектролити

£ диелектрици

£ квазиелектролити

£ полупроводници

Тест 14. Кои от следните метали са благородни?

Тест 15. Първият закон на Фарадей за електролизата гласи:

Електрохимичният еквивалент на дадено вещество е право пропорционален на неговия химичен еквивалент.

£ масата на веществото, освободено върху електродите, е право пропорционална на квадрата на заряда, протичащ през електролита

Масата на веществото, отделено върху електродите, е правопропорционална на заряда, протичащ през електролита.+

£ масата на веществото, освободено върху електродите, е право пропорционална на корен квадратен от количеството заряд, протичащ през електролита

Масата на веществото, освободено върху електродите, е обратно пропорционална на заряда, протичащ през електролита

Тест 16. Какви физични фактори оказват йонизиращо действие върху газа?

£ отопление

£ електрическо поле

£ увеличаване на обема на газа.

£ излагане на радиация.

£ понижаване на атмосферното налягане.

Тест 17. Ако изследвате газоразрядната тръба по време на разряда, ще забележите, че разрядът не е равномерен. Разграничават се следните области:

£ Тъмното пространство на Астън; катоден филм; тлеещ блясък; отрицателна колона.

£ Тъмното пространство на Астън; аноден филм; катодно тъмно пространство; тлеещ блясък; тъмно пространство на Фарадей; отрицателна колона.

£ Тъмното пространство на Астън; катоден филм; катодно тъмно пространство; тлеещ блясък; тъмно пространство на Фарадей; положителна колона.

£ Тъмното пространство на Астън; катоден филм; тлеещ блясък; отрицателна колона; положителна колона

£ катоден филм; катодно тъмно пространство; тлеещ блясък; тъмно пространство на Фарадей; положителна колона

Тест 18. Коя категория се използва главно за осветителни и рекламни цели?

£ корона.

£ дъга.

£ тлеещ.

£ искра

£ блестящ

Тест 19. Какви видове плазма има според начина на производство?

£ газоразряд

£ високо напрежение

£ висока температура

£ магнитно-електронни

Тест 20. Какви видове магнитни капани съществуват?

£ бетатрон

£ звездовидна

£ стелатор

£ токамак

£ плазмена горелка

Тест 21. Кое свойство е основното за плазмата?

£ добра електропроводимост

£ поляризуемост

£ йонизираща способност

£ квазинеутралитет

£ цял живот

Тест 22. Как се нарича контактната зона на полупроводници с различни видове проводимост?

£ забранена зона

£ проводяща лента

£p-n кръстовище

£ валентна лента

Тест 23. Как се нарича областта на транзистора, в която влизат носители на заряд?

излъчвател

£ колекционер

£фотоклетка

£ микрочип

Тест 24. Каква е особеността на полупроводниците?

£твърд диполен момент на молекулите на веществото

£ висока работна температура

£наличие на свободни носители на отрицателни заряди

£има два вида носители на електрически заряд+

£наличие на свободни носители на положителни заряди

Магнитно поле във вакуум и материя

15. Взаимодействие на токовете. Магнитно поле. Индукция и сила на магнитното поле. Намотка с ток в магнитно поле. Закон на Био-Савар-Лаплас. Магнитно поле на постоянен, кръгов и соленоиден ток.

16. Вихров характер на магнитното поле. Циркулация на вектора на индукция на магнитното поле. Магнитен поток. Амперна мощност. Работата по преместване на проводник с ток в магнитно поле. Сила на Лоренц. Определяне на специфичния заряд на електрона.

17. Магнетици. Намагнитване. Връзка между индукция и сила на магнитното поле в магнит. Магнитна проницаемост и чувствителност. Магнито-механични явления.

18. Понятие за диа-, пара- и феромагнетици. Домейн структура на феромагнетици. Магнитен хистерезис. Произведения на Столетов. Точка на Кюри. Магнитни материали и техните приложения.

Взаимодействие на токовете. Магнитно поле. Индукция и сила на магнитното поле. Намотка с ток в магнитно поле. Закон на Био-Савар-Лаплас. Магнитно поле на постоянен, кръгов и соленоиден ток

15.1. Взаимодействие на токовете

15.2. Магнитно поле. Индукция и сила на магнитното поле

15.3. Намотка с ток в магнитно поле

15.4. Закон на Био-Савар-Лаплас. Магнитно поле на постоянен, кръгов и соленоиден ток

Изследването на природата на магнитните явления започва с разглеждането на естествения магнетизъм. Това взаимодействие на естествените магнити се случи и с някои вещества, които принадлежат към класа на феромагнетиците. В бъдеще ще видим, че взаимодействието остава същото, ако един от естествените магнити се замени с проводник с ток (експеримент на Ерстед) и накрая това явление може да се наблюдава, ако два проводника с ток взаимодействат (експеримент на Ампер) .

Опит 15.1Опитът на Ерстед.

Оборудване:

Ориз. 15.1.

1. Магнитна игла;

2. Източник на ток В-24;

3. Диригент;

Монтажна схема:

Първоначално стрелката е успоредна на проводника. Когато източникът на ток е включен, стрелката е разположена перпендикулярно на проводника. Когато източникът на захранване е изключен, стрелката се връща в първоначалното си положение.

Заключение:Около проводника с ток има магнитно поле, т.е. Там, където има движещи се електрически заряди, съществува магнитно поле.

Опит 15.2Взаимодействие на два проводника с ток.

Оборудване:

1. Две гъвкави ленти от фолио;

2. Източник на ток В-24;

3. Диригент;

Монтажна схема:

Токовете са насочени в обратна посока - проводниците се отблъскват.

Токовете са съвместно насочени - и проводниците се привличат.

Заключение:Когато два проводника взаимодействат с ток, възникват сили, които отблъскват или привличат проводниците.

Изследването на магнитните явления показа, че магнитното взаимодействие се наблюдава, когато има движение на електрически заряди по отношение на наблюдателя (или записващото устройство). Тъй като всички явления, свързани с относителното движение на обекти, се наричат ​​релативистични (от английската дума „relative“ - относително), те казват, че магнетизмът е релативистичен ефект.

Полупроводников диоднаречен двуелектродно устройство с еднопосочна проводимост. Дизайнът му се основава на равновесие Р-нпреход. Въз основа на естеството на образуване на преход диодите се разделят на точкови и планарни.

Полупроводниковите триоди се използват широко за преобразуване, усилване и генериране на електрически трептения - транзистори. За да работи транзисторът, е необходимо да има две електронно-дупкови преходи; германий често се използва като полупроводник.

При използване на транзистори n-р-nпреход, полупроводник Р-тип разположен между полупроводници н-тип, Дизайнът на планарен биполярен транзистор е показан на фигура 2.7.

Ориз. 2.7. Принципът на транзисторното устройство и изображението на транзисторите в диаграмите.

В този транзистор n-р-nтип има средна област с проводимост на дупки и две външни области с електронна проводимост. Средната област на транзистора се нарича - база, една крайна зона – излъчвател , друг - колектор.По този начин транзисторът има два н-рпреход: излъчвател– между емитер и база и колектор- между основата и колектора. Разстоянието между тях трябва да е много малко, не повече от няколко микрометра, т.е. Основната площ трябва да е много тънка. Това е условие за добра работа на транзистора. В допълнение, концентрацията на примеси в основата винаги е значително по-малка, отколкото в колектора и емитера. На схематичните изображения на транзистори стрелката показва посоката на тока (условно, от плюс към минус) в емитерния проводник с изправено напрежение на емитерния преход.

Нека разгледаме работата на транзистора в режим на празен ход, когато са включени само източници на постоянни захранващи напрежения E 1 и E 2 (Фигура 2.8).

Тяхната полярност е такава, че при емитерния преход напрежението е право, а при колекторния преход е обратно. Следователно съпротивлението на емитерния преход е ниско и за да се получи нормален ток в този преход е достатъчно напрежение E 1 от десети от волта. Съпротивлението на колекторния преход е високо и напрежението E2 обикновено е няколко или десетки волта.

Ориз. 2.8. Движението на електрони и дупки в n-p-n транзистор.

Принципът на работа на транзистора е, че предното напрежение на прехода на емитер, т.е. секцията база-емитер, значително влияе върху тока на колектора: колкото по-голямо е това напрежение, толкова по-големи са токовете на емитер и колектор. В този случай промените в колекторния ток са само малко по-малки от промените в емитерния ток. По този начин напрежението между основата и емитер E 1, т.е. входното напрежение контролира тока на колектора. Усилването на електрическите трептения с помощта на транзистор се основава именно на това явление.

Физическите процеси в транзистора протичат по следния начин. С увеличаването на предното входно напрежение E1 потенциалната бариера в емитерния преход намалява и съответно токът през този преход се увеличава - емитерният ток азъъъ. Електроните на този ток се инжектират от емитера в основата и поради дифузия проникват през основата в колекторния преход, увеличавайки тока на колектора. Тъй като колекторният преход работи при обратно напрежение, в този преход се появяват пространствени заряди, показани на фигурата с кръгове със знаци "+" и "–". Между тях възниква електрическо поле. Той насърчава движението (екстракция) през колекторния възел на електрони, дошли тук от емитера, т.е. привлича електрони в областта на колекторния преход.

Ако дебелината на основата е достатъчно малка и концентрацията на дупки в нея е ниска, тогава повечето от електроните, преминали през основата, нямат време да се рекомбинират с дупките на основата и да достигнат колекторния преход. Само малка част от електроните се рекомбинират с дупки в основата. В резултат на рекомбинацията в основния проводник протича базов ток. Наистина, в стабилно състояние броят на дупките в основата трябва да остане непроменен. Поради рекомбинацията определен брой дупки изчезват всяка секунда, но същият брой нови дупки се появяват поради факта, че същият брой електрони напуска основата към полюса на източника E 1. С други думи, много електрони не могат да се натрупат в основата.

Ако основата има значителна дебелина и концентрацията на дупки в нея е висока, тогава повечето от електроните на емитерния ток, дифундиращи през основата, ще се рекомбинират с дупки и няма да достигнат колекторния преход.

Под въздействието на входното напрежение възниква значителен емитерен ток; електроните се инжектират в базовата област от страната на емитера, които са малцинствени носители за тази област. Без да имат време да се рекомбинират с дупки по време на дифузия през основата, те достигат до колекторния възел. Колкото по-висок е емитерният ток, толкова повече електрони идват към колекторния преход и толкова по-ниско става неговото съпротивление. Токът на колектора се увеличава съответно. С други думи, с увеличаване на емитерния ток в основата, концентрацията на незначителни носители, инжектирани от емитера, се увеличава и колкото повече от тези носители, толкова по-голям е токът на колекторния преход, т.е. колекторен ток аз към .

Трябва да се отбележи, че емитерът и колекторът могат да се сменят (т.нар. инверсен режим). Но при транзисторите, като правило, колекторният преход е направен с много по-голяма площ от емитерния преход, тъй като мощността, разсейвана в колекторния преход, е много по-голяма от мощността, разсейвана в емитерния преход. Следователно, ако използвате емитера като колектор, транзисторът ще работи, но може да се използва само при значително по-ниска мощност, което е непрактично. Ако зоните на свързване са направени идентични (транзисторите в този случай се наричат симетричен), тогава всеки от крайните региони може да работи като емитер или колектор с еднакъв успех.

Разгледахме физическите явления в n-p-n транзистор. Подобни процеси се случват в p-n-p транзистора, но в него се променят ролите на електроните и дупките, а полярността на напрежението и посоките на тока се променят на обратни.

Трите най-често срещани начина за включване на транзистори са:

- верига с обща база, когато емитерният вход и колекторният изход

свързан към обща база;

- в обща емитерна веригаколекторна изходна верига

свързва се към излъчвателя вместо към основата;

- верига с общ колектор, иначе наричано емитерно повторение.

Заключение: 1. Наличието на примеси в полупроводниците води до нарушаване на равенството между броя на дупките и електроните и електрическият ток ще се създава предимно от заряди със същия знак, в зависимост от това какво преобладава в полупроводника.

2. Дизайнът на всяко полупроводниково устройство се основава на равновесие Р-нпреходи.

Подготвени

Ученик от 10 "А" клас

Училище No610

Ивчин Алексей

Резюме по темата:

„Полупроводникови диоди и транзистори, техните области на приложение”

2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)

3. Видове полупроводникови устройства

4.Производство

5. Област на приложение

1. Полупроводници: теория и свойства

Първо трябва да се запознаете с механизма на проводимостта в полупроводниците. И за да направите това, трябва да разберете естеството на връзките, които държат атомите на полупроводников кристал близо един до друг. Например, помислете за силициев кристал.

Силицият е четиривалентен елемент. Това означава, че във външния

обвивката на атома има четири електрона, относително слабо свързани

с ядрото. Броят на най-близките съседи на всеки силициев атом също е равен на

четири. Взаимодействието на двойка съседни атоми се осъществява с помощта на

пайоноелектронна връзка, наречена ковалентна връзка. В образованието

Тази връзка от всеки атом включва едновалентен електрон, който

които се отделят от атоми (колективизирани от кристала) и кога

в своето движение те прекарват по-голямата част от времето си в пространството между

съседни атоми. Техният отрицателен заряд държи положителните силициеви йони близо един до друг. Всеки атом образува четири връзки със своите съседи,

и всеки валентен електрон може да се движи по една от тях. След като достигне съседен атом, той може да премине към следващия, а след това по-нататък по целия кристал.

Валентните електрони принадлежат на целия кристал - двойните електронни връзки на силиция са доста силни и не могат да се разкъсат при ниски температури. Следователно силицият не провежда електрически ток при ниски температури. Валентните електрони, участващи в свързването на атомите, са здраво свързани с кристалната решетка и външното електрическо поле не оказва забележимо влияние върху тяхното движение.

Електронна проводимост.

Когато силицийът се нагрява, кинетичната енергия на частиците се увеличава и

отделните връзки са прекъснати. Някои електрони напускат своите орбити и стават свободни, като електрони в метал. В електрическо поле те се движат между възлите на решетката, образувайки електрически ток.

Проводимост на полупроводниците поради наличието на свободни метали

електрони електрони се нарича електронна проводимост. С повишаването на температурата броят на скъсаните връзки и следователно на свободните електрони се увеличава. При нагряване от 300 до 700 К броят на свободните носители на заряд нараства от 10,17 на 10,24 1/m.3. Това води до намаляване на съпротивлението.

Проводимост на дупки.

Когато връзката се скъса, се създава празна позиция от липсващия електрон.

Нарича се дупка. Дупката има излишен положителен заряд в сравнение с други нормални връзки. Позицията на отвора в кристала не е постоянна. Следният процес протича непрекъснато. един

от електроните, които осигуряват връзката на атомите, скача до мястото на обмен

образува дупки и възстановява двойката-електронна връзка тук.

и където този електрон е скочил, се образува нова дупка. Така

Така дупката може да се движи из целия кристал.

Ако силата на електрическото поле в пробата е нула, тогава движението на дупките, еквивалентно на движението на положителните заряди, се случва произволно и следователно не създава електрически ток. В присъствието на електрическо поле възниква подредено движение на дупки и по този начин електрически ток, свързан с движението на дупки, се добавя към електрическия ток на свободните електрони. Посоката на движение на дупките е противоположна на посоката на движение на електроните.

И така, в полупроводниците има два вида носители на заряд: електрони и дупки. Следователно полупроводниците имат не само електронна, но и дупкова проводимост. Проводимостта при тези условия се нарича присъща проводимост на полупроводниците. Вътрешната проводимост на полупроводниците обикновено е ниска, тъй като броят на свободните електрони е малък, например в германий при стайна температура ne = 3 на 10 в 23 cm в –3. В същото време броят на германиеви атоми в 1 кубичен см е около 10 на 23. По този начин броят на свободните електрони е приблизително една десет милиардна от общия брой атоми.

Съществена характеристика на полупроводниците е, че те

в присъствието на примеси, заедно с присъщата проводимост,

допълнителна - примесна проводимост. Чрез промяна на концентрацията

примеси, можете значително да промените броя на носителите на заряд

или друг знак. Благодарение на това е възможно да се създават полупроводници с

преобладаващата концентрация е отрицателна или положителна

силно заредени носители. Тази характеристика на полупроводниците е открита

предоставя широки възможности за практическо приложение.

Донорни примеси.

Оказва се, че в присъствието на примеси, например атоми арсен, дори при много ниски концентрации, броят на свободните електрони се увеличава в

много пъти. Това се случва по следната причина. Атомите на арсена имат пет валентни електрона, четири от които участват в създаването на ковалентна връзка между този атом и околните атоми, например със силициевите атоми. Петият валентен електрон е слабо свързан с атома. Той лесно напуска атома на арсена и става свободен. Концентрацията на свободни електрони нараства значително и става хиляда пъти по-голяма от концентрацията на свободни електрони в чист полупроводник. Примесите, които лесно отдават електрони, се наричат ​​донорни примеси и такива полупроводници са полупроводници от n-тип. В n-тип полупроводник електроните са основните носители на заряд, а дупките са малцинствените носители на заряд.

Акцепторни примеси.

Ако индий, чиито атоми са тривалентни, се използва като примес, тогава естеството на проводимостта на полупроводника се променя. Сега, за образуването на нормални двойки-електронни връзки със съседите, атомът на индия не го прави

получава електрон. В резултат на това се образува дупка. Брой дупки в кристала

tale е равен на броя на примесните атоми. Този вид нечистотии

се наричат ​​акцепторни (приемащи). При наличие на електрическо поле

дупките се смесват в полето и възниква проводимост на дупките. от-

полупроводници с преобладаваща дупкова проводимост над електроните

Наричат ​​се полупроводници от p-тип (от думата positiv - положителен).

2. Основни полупроводникови устройства (Структура и приложение)

Има два основни полупроводникови устройства: диод и транзистор.

/>Понастоящем полупроводниковите диоди се използват все повече за коригиране на електрически ток в радиовериги, заедно с двуелектродни лампи, тъй като те имат редица предимства. Във вакуумна тръба електроните на носителите на заряд се генерират чрез нагряване на катода. В p-n прехода носителите на заряд се образуват, когато в кристала се въведе акцептор или донорен примес. По този начин няма нужда от източник на енергия за получаване на носители на заряд. В сложни вериги спестяванията на енергия в резултат на това се оказват много значителни. В допълнение, полупроводниковите токоизправители със същите стойности на коригирания ток са по-миниатюрни от тръбните токоизправители.

/> Полупроводниковите диоди са направени от германий и силиций. селен и други вещества. Нека разгледаме как се създава p-n преход при използване на дънен примес; този преход не може да бъде получен чрез механично свързване на два полупроводника от различен тип, т.к това води до твърде голямо разстояние между полупроводниците и полупроводниците. Тази дебелина не трябва да бъде по-голяма от междуатомните разстояния. Следователно индият се разтопява в една от повърхностите на пробата. Поради дифузията на индиеви атоми дълбоко в германиевия монокристал, област с p-тип проводимост се трансформира на повърхността на германий. Останалата част от германиевата проба, в която не са проникнали индиеви атоми, все още има n-тип проводимост. Между регионите възниква p-n преход. В полупроводника диодегерманият служи като катод, а индият служи като анод. Фигура 1 показва директното (b) и обратното (c) свързване на диода.

Характеристиката ток-напрежение за директни и обратни връзки е показана на фигура 2.

Те замениха лампите и се използват много широко в техниката, главно за токоизправители; диодите също намериха приложение в различни устройства.

Транзистор.

/> Нека разгледаме един тип транзистор, направен от германий или силиций с въведени в тях донорни и акцепторни примеси. Разпределението на примесите е такова, че се създава много тънък (от порядъка на няколко микрометра) слой от n-тип полупроводник между два слоя от p-тип полупроводник. 3. Този тънък слой се нарича база или основа, в кристала се образуват два p-n прехода, чиито преки посоки са противоположни. Три терминала от области с различни видове проводимост ви позволяват да свържете транзистора към веригата, показана на фигура 3. С тази връзка

Левият pn преход е директен и отделя основата от областта с p-тип проводимост, наречена емитер. Ако нямаше десен p–n преход, щеше да има ток във веригата емитер-база, в зависимост от напрежението на източниците (батерия B1 и източникът на променливо напрежение).

съпротивление) и съпротивление на веригата, включително ниско директно съпротивление

/>преход емитер-база. Батерията B2 е свързана така, че десният pn преход във веригата (вижте Фиг. 3) да е обратен. Той разделя основата от дясната област с p-тип проводимост, наречена колектор. Ако нямаше ляв pn преход, силата на тока на колекторната верига би била близка до нула, тъй като съпротивлението на обратния преход е много високо. Когато има ток в левия p-n преход, в колекторната верига се появява ток и силата на тока в колектора е само малко по-малка от силата на тока в емитера, когато се създаде напрежение между емитера и основата. основните носители на p-тип полупроводник - дупките проникват в основата, където вече са основните носители носители. Тъй като дебелината на основата е много малка и броят на основните носители (електрони) в нея е малък, дупките, които попадат в нея, почти не се комбинират (не се рекомбинират) с електроните на основата и проникват в колектора поради до дифузия. Десният pn преход е затворен за основните носители на заряд на основата - електрони, но не и за дупки. Дупките в колектора се отнасят от електрическото поле и завършват веригата. Силата на тока, разклоняваща се в емитерната верига от основата, е много малка, тъй като площта на напречното сечение на основата в хоризонталната (виж фиг. 3) равнина е много по-малка от напречното сечение във вертикалната равнина . Токът в колектора, който е почти равен на тока в емитера, варира с тока в емитера. Съпротивлението на резистора R /> има малък ефект върху тока в колектора и това съпротивление може да бъде доста голямо. Чрез контролиране на емитерния ток с помощта на източник на променливо напрежение, свързан към неговата верига, получаваме синхронна промяна в напрежението през резистора. Ако съпротивлението на резистора е голямо, промяната в напрежението върху него може да бъде десетки хиляди пъти по-голяма от промяната в сигнала в емитерната верига. Това означава увеличение на напрежението. Следователно, използвайки товар R, е възможно да се получат електрически сигнали, чиято мощност е многократно по-голяма от мощността, подадена към емитерната верига. Те заменят вакуумните тръби и се използват широко в техниката.

3. Видове полупроводникови устройства.

/>В допълнение към планарните диоди (фиг. 8) и транзисторите има и точкови диоди (фиг. 4). Транзисторите точка-точка (вижте фигурата за структура) се формоват преди употреба, т.е. пропускат ток с определена величина, в резултат на което под върха на жицата се образува зона с дупкова проводимост. Транзисторите се предлагат в типове p-n-p и n-p-n. Обозначението и общите са видими на фигура 5.

Има фото- и термистори и варистори, както е показано на фигурата. Планарните диоди включват селенови токоизправители. Основата на такъв диод е стоманена шайба, покрита от едната страна със слой селен, който е полупроводник с дупкова проводимост (виж фиг. 7). Повърхността на селена е покрита с кадмиева сплав, в резултат на което се образува филм с електронна проводимост, в резултат на което се образува преход на изправителен ток. Колкото по-голяма е площта, толкова по-голям е изправителният ток.

4. Производство

/>Технологията на производство на диодата е подобна. Парче индий се разтопява върху повърхността на квадратна плоча с площ 2-4 cm2 и дебелина няколко фракции от милиметър, изрязана от полупроводников кристал с електронна проводимост. Индийът е здраво легиран от плочата.В този случай атомите на индия проникват (дифундират) в дебелината на плочата, образувайки в нея област с преобладаваща дупкова проводимост (фиг. 6). различни видове проводимост и p-n преход между тях. Колкото по-тънка е полупроводниковата пластина. колкото по-ниско е съпротивлението на диода в посока напред, толкова по-голям е токът, коригиран от диода. Диодните контакти са капка индий и метален диск или пръчка с оловни проводници

След сглобяването на транзистора, той се монтира в корпуса и се свързва електрическата връзка. проводниците към контактните плочи на кристала и тялото запечатват тялото.

5. Обхват на приложение

/> Диодите са много надеждни, но границата на тяхното използване е от –70 до 125 C. Т.к. Точковият диод има много малка контактна площ, така че токовете, които могат да доставят такива диоди, са не повече от 10-15 mA. И те се използват главно за модулиране на високочестотни трептения и за измервателни инструменти. За всеки диод има определени максимално допустими граници на прав и обратен ток, в зависимост от напрежението напред и назад и определящи неговите коригиращи и якостни свойства.

Транзисторите, подобно на диодите, са чувствителни към температура и претоварване, както и към проникваща радиация. Транзисторите, за разлика от радиолампи, изгарят поради неправилно свързване.