Poluprovodnički otpornici. Cheat sheet: Poluvodičke diode i tranzistori, njihova područja primjene Moskovski državni univerzitet rudarstva

Pripremljeno

Učenik 10 "A" razreda

Škola br. 610

Ivčin Aleksej

Sažetak na temu:

“Poluvodičke diode i tranzistori, njihova područja primjene”

1. Poluprovodnici: teorija i svojstva

2. Osnovni poluprovodnički uređaji (struktura i primjena)

3. Vrste poluvodičkih uređaja

4. Proizvodnja

5. Područje primjene

1. Poluprovodnici: teorija i svojstva

Prvo se morate upoznati s mehanizmom provodljivosti u poluvodičima. A da biste to učinili, morate razumjeti prirodu veza koje drže atome poluvodičkog kristala jedan blizu drugog. Na primjer, uzmite u obzir silikonski kristal.

Silicijum je četvorovalentni element. To znači da u eksternom

ljuska atoma ima četiri elektrona, relativno slabo vezana

sa jezgrom. Broj najbližih suseda svakog atoma silicijuma je takođe jednak

četiri. Interakcija para susjednih atoma se vrši pomoću

pajonoelektronska veza koja se naziva kovalentna veza. U obrazovanju

ova veza iz svakog atoma uključuje jedan valentni elektron, ko-

koji su odvojeni od atoma (kolektivizirani kristalom) i kada

u svom kretanju većinu vremena provode u prostoru između

susednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicijuma jedan blizu drugog. Svaki atom formira četiri veze sa svojim susjedima,

i svaki valentni elektron se može kretati duž jednog od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje duž cijelog kristala.

Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu. Par-elektron veze silicijuma su prilično jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Stoga silicijum na niskim temperaturama ne provodi električnu struju. Valentni elektroni uključeni u vezu atoma čvrsto su vezani za kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema primjetan utjecaj na njihovo kretanje.

Elektronska provodljivost.

Kada se silicijum zagreva, kinetička energija čestica se povećava, i

pojedinačne veze su prekinute. Neki elektroni napuštaju svoje orbite i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električnom polju, oni se kreću između čvorova rešetke, formirajući električnu struju.

Vodljivost poluprovodnika zbog prisustva slobodnih metala

elektroni elektroni se nazivaju elektronska provodljivost. Kako temperatura raste, broj prekinutih veza, a samim tim i slobodnih elektrona, raste. Kada se zagrije od 300 do 700 K, broj slobodnih nosača se povećava sa 10,17 na 10,24 1/m.3. To dovodi do smanjenja otpora.

Provodljivost rupa.

Kada se veza prekine, formira se prazno mjesto sa nedostajućim elektronom.

To se zove rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja u odnosu na druge, normalne veze. Položaj rupe u kristalu nije konstantan. Sljedeći proces se odvija kontinuirano. Jedan

od elektrona koji obezbeđuju vezu atoma, skače na mesto razmene

formiraju rupe i obnavljaju par-elektronsku vezu.

i tamo odakle je ovaj elektron skočio, formira se nova rupa. Dakle

Tako se rupa može pomicati kroz kristal.

Ako je jačina električnog polja u uzorku nula, tada se kretanje rupa, ekvivalentno kretanju pozitivnih naboja, događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. U prisustvu električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa, pa se električna struja povezana s kretanjem rupa dodaje električnoj struji slobodnih elektrona. Smjer kretanja rupa je suprotan smjeru kretanja elektrona.

Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nosača naboja: elektroni i rupe. Dakle, poluprovodnici imaju ne samo elektronsku već i provodljivost šupljina. Provodljivost u ovim uslovima naziva se intrinzična provodljivost poluprovodnika. Intrinzična provodljivost poluprovodnika je obično niska, jer je broj slobodnih elektrona mali, na primjer, u germaniju na sobnoj temperaturi ne = 3 na 10 u 23 cm u –3. U isto vrijeme, broj atoma germanija u 1 kubnom cm je oko 10 u 23. Dakle, broj slobodnih elektrona je otprilike jedan desetmilijardini dio ukupnog broja atoma.

Bitna karakteristika poluprovodnika je da oni

u prisustvu nečistoća, zajedno sa intrinzičnom provodljivošću,

dodatna - provodljivost nečistoća. Promjenom koncentracije

nečistoća, možete značajno promijeniti broj nosača naboja

ili drugi znak. Zahvaljujući tome, moguće je kreirati poluprovodnike sa

dominantna koncentracija je negativna ili pozitivna

snažno nabijeni nosači. Ova karakteristika poluprovodnika je otkrivena

pruža široke mogućnosti za praktičnu primjenu.

Donatorske nečistoće.

Pokazalo se da u prisustvu nečistoća, na primjer atoma arsena, čak i pri vrlo niskim koncentracijama, broj slobodnih elektrona raste u

mnogo puta. To se dešava iz sljedećeg razloga. Atomi arsena imaju pet valentnih elektrona, od kojih su četiri uključena u stvaranje kovalentne veze između ovog atoma i okolnih atoma, na primjer, s atomima silicija. Čini se da je peti valentni elektron slabo vezan za atom. Lako napušta atom arsena i postaje slobodan. Koncentracija slobodnih elektrona se značajno povećava i postaje hiljadu puta veća od koncentracije slobodnih elektrona u čistom poluprovodniku. Nečistoće koje lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama, a takvi poluvodiči su poluvodiči n-tipa. U poluvodiču n-tipa, elektroni su većinski nosioci naboja, a rupe su manjinski.

Akceptorske nečistoće.

Ako se indijum, čiji su atomi trovalentni, koristi kao nečistoća, tada se mijenja priroda vodljivosti poluvodiča. Sada, da bi formirao normalne par-elektronske veze sa svojim susjedima, atom indija to ne čini

dobija elektron. Kao rezultat, formira se rupa. Broj rupa u kristalu

talle je jednak broju atoma nečistoća. Ova vrsta nečistoće je

se nazivaju akceptor (primajući). U prisustvu električnog polja

rupe se miješaju po polju i dolazi do provodljivosti rupa. By-

poluprovodnici s prevlastom provodljivosti rupa nad elektronskim

Nazivaju se poluvodiči p-tipa (od riječi pozitivno - pozitivan).

2. Osnovni poluprovodnički uređaji (struktura i primjena)

Postoje dva osnovna poluvodička uređaja: dioda i tranzistor.

Strujno-naponska karakteristika za veze naprijed i nazad prikazana je na slici 2.

Zamijenile su lampe i vrlo se široko koriste u tehnici, uglavnom za ispravljače, također su našle primjenu u raznim uređajima.

Tranzistor.

Lijevi pn spoj je direktan i odvaja bazu od područja p-tipa zvanog emiter. Da nema desnog p–n spoja, postojala bi struja u krugu emiter-baza, ovisno o naponu izvora (baterija B1 i izvor naizmjeničnog napona

otpor) i otpor kola, uključujući nizak direktni otpor

Jednosmjerno provođenje kontakata između dva poluvodiča (ili metal u poluvodič) koristi se za ispravljanje i pretvaranje naizmjeničnih struja. Ako postoji jedan prijelaz elektron-rupa, tada je njegovo djelovanje slično djelovanju dva

elektrodna lampa - dioda, stoga se naziva poluvodički uređaj koji sadrži jedan p-n spoj poluvodička (kristalna) dioda. Semiconductor diode po dizajnu se dijele na tačka I planar. Ako se kratkotrajni strujni impuls propušta kroz diodu u smjeru naprijed, formira se sloj s p-provodljivošću. Na granici ovog sloja formira se pn spoj sa visokim koeficijentom ispravljanja. Zbog niske kapacitivnosti kontaktnog sloja, tačkaste diode se koriste kao detektori (ispravljači) visokofrekventnih oscilacija do centimetarskog opsega talasnih dužina.

p-n spojevi ne samo da imaju izvrsna svojstva ispravljanja, već se mogu koristiti i za pojačanje, a ako se uvede povratna sprega u krug, onda za generiranje električnih oscilacija. Uređaji namijenjeni za ove namjene su

dobio ime poluprovodničke triode ili tranzistori. Germanij i silicijum se koriste za proizvodnju tranzistora, jer se odlikuju velikom mehaničkom čvrstoćom, hemijskom otpornošću i većom

poluprovodnici, mobilnost nosilaca struje. Poluprovodničke triode se dijele na tačka I planar. Prvi značajno povećavaju napon, ali su njihove izlazne snage niske zbog opasnosti od pregrijavanja (npr. gornja granica radnog

Temperatura točkaste germanijumske triode je u rasponu od 50 - 80 °C. Planarne triode su snažnije. Možda su kao p-p-p i tip p-p-p ovisno o izmjeni područja različite provodljivosti. Tranzistor obuhvata baze (srednji dio tranzistora), emiter I kolektora (područja uz bazu s obje strane s različitim tipom provodljivosti)

mostovi). Između emitera i baze primjenjuje se konstantni prednapon prednapona, a između baze i kolektora primjenjuje se konstantni napon obrnutog prednapona. Pojačani naizmjenični napon napajanja -

na ulaznu impedanciju , a pojačani se uklanja sa izlaznog otpora. Protok struje u krugu emitera

uzrokovan je uglavnom kretanjem rupa (one su glavni nosioci struje) i praćen je njihovim ubrizgavanjem - injekcija - do baze. Rupe koje prodiru u bazu difundiraju prema kolektoru, i to male debljine

Ne u osnovi, značajan dio injektiranih rupa dopire do kolektora. Ovdje su rupe zarobljene poljem koje djeluje unutar spoja (privučeno negativno nabijenom kolektoru), zbog čega se struja kolektora mijenja. Stoga, sve

Neka promjena struje u krugu emitera uzrokuje promjenu struje u kolu kolektora. Tranzistor, poput vakuumske cijevi,

daje povećanje i napona i snage.

25. (Lorencova sila. Rad Lorencove sile. Hallov efekat)

Sila koja djeluje na električni naboj Q, kreće se u magnetskom polju brzinom V , pozvao Lorencova sila i izražava se formulom gdje IN- indukcija magnetnog polja u kojem se naelektrisanje kreće.

Modul Lorentzove sile , gdje je α ugao između v I IN. Lorentzova sila je uvijek okomita na brzinu kretanja nabijene čestice, tako da samo mijenja smjer te brzine, a da pritom ne mijenja njen modul. dakle, Lorencova sila

ne radi nikakav posao. Drugim riječima, konstantno magnetsko polje ne vrši rad na nabijenoj čestici koja se kreće u njemu, a kinetička energija te čestice se ne mijenja kada se kreće u magnetskom polju. Ako je na pokretnom električnom

naelektrisanje pored magnetnog polja sa indukcijom IN postoji i električno polje sa intenzitetom E, zatim rezultujuća sila F, primijenjena na naboj jednaka je vektorskom zbiru sila - sila koja djeluje iz električnog polja i Lorentzove sile: Smjer Lorentzove sile i smjer otklona nabijene čestice u magnetskom polju uzrokovanom njom ovise o predznaku naboja Qčestice.

Hall efekat (1879) je pojava u metalu (ili poluprovodniku) sa gustinom struje j, smešten u magnetno polje IN, električnog polja u smjeru okomitom na IN Toj. Postavimo metalnu ploču sa gustinom struje j u magnetno

polje IN, okomito na j. Za dati pravac j brzina nosilaca struje u metalu - elektrona - usmjerena je s desna na lijevo. Elektroni doživljavaju Lorentzovu silu, koja je u ovom slučaju usmjerena prema gore. Tako će na gornjoj ivici ploče biti povećana koncentracija elektrona (ona će biti negativno nabijena), a na donjoj ivici će nedostajati elektrona (biti će nabijena pozitivno). Kao rezultat toga, između rubova ploče pojavit će se dodatno poprečno električno polje Ev, usmjereno odozdo prema gore. Kada napetost Ev Ovo poprečno polje dostiže toliku vrijednost da će njegovo djelovanje na naboje uravnotežiti Lorentzovu silu, tada će se uspostaviti stacionarna raspodjela naelektrisanja u poprečnom smjeru.

Onda gde A- širina ploče; ∆f - poprečna (Halova) razlika potencijala.

S obzirom da je trenutna jačina I = jS =nevS (S- površina poprečnog presjeka debljine ploče d, n- koncentracija elektrona, v - srednja brzina uređenog kretanja elektrona, j-gustina struje = env), dobijamo tj. Holova poprečna razlika potencijala je proporcionalna magnetskoj indukciji IN, jačina struje / i obrnuto je proporcionalna debljini ploče d.

- Holova konstanta, zavisno od supstance. By izmjerena vrijednost Holove konstante može se: 1) odrediti

koncentracija nosilaca struje u provodniku (sa poznatom prirodom provodljivosti i naboja nosilaca); 2) suditi o prirodi provodljivosti poluprovodnika, jer se predznak Holove konstante poklapa sa predznakom naelektrisanja e nosilaca struje. Stoga efekat

Holov efekat je najefikasnija metoda za proučavanje energetskog spektra nosilaca struje u metalima i poluprovodnicima.

Glavni element većine poluvodičkih elemenata je p-n spoj.

P-n spoj je područje na granici poluvodiča p i n tipa.

Konvencionalno, pn spoj se može prikazati na sljedeći način:

Eksperiment 14.3. Poluvodička dioda.

Cilj rada:

Proučiti princip rada poluvodičke diode.

Oprema:

1. Podesivi izvor izmjeničnog napona

2. Osciloskop

3. Stalak sa dijagramom

Napredak.

1. Instalacija se sastoji od izvora podesivog naizmjeničnog napona, osciloskopa i postolja sa strujnim kolom. Naizmenični napon iz izvora se dovodi na ulaz postolja. Na ekranu osciloskopa se uočava sinusoida. Ako povećate ili smanjite primijenjeni napon, amplituda sinusoidnog signala vidljivog na ekranu osciloskopa se povećava ili smanjuje u skladu s tim.

2. Proučimo prirodu struje koja teče kroz diodu. Napon koji ulazi u postolje primjenjuje se na rubove lanca koji se sastoji od otpornika i diode spojenih u seriju. Kao rezultat toga, kroz lanac više ne teče naizmjenična struja, već pulsirajuća struja, jer dioda ispravlja struju. Omogućava struji da prolazi u jednom smjeru, a ne u drugom. Na dijagramu je dioda prikazana na takav način da vrh trokuta, u ovoj fazi usmjeren prema gore, pokazuje smjer struje koja prolazi kroz diodu. Da bi se saznalo kakva je priroda struje koja prolazi kroz diodu, na vertikalno pojačalo se primjenjuje napon, koji se uklanja s krajeva otpora. Ovaj napon je proporcionalan struji koja teče kroz otpor. Uočeno je da struja kroz diodu zapravo teče samo u jednom smjeru. Pola perioda nema struje - horizontalne sekcije, pola perioda struja teče. Ovo su polovine sinusoida koje gledaju nadole. Ali ako promijenite napon koji se dovodi na ulaz postolja, promijenit će se i količina struje koja teče kroz diodu. Ako zarotirate diodu za 180 stepeni, vrh trougla na dijagramu će biti usmjeren prema dolje, tj. promijenit će se smjer struje koja teče kroz diodu. Signal na ekranu osciloskopa je nestao. Dioda se uklanja sa postolja, a signal se ponovo pojavljuje na ekranu osciloskopa. Međutim, sada se oni poluciklusi koji odgovaraju protoku struje kroz diodu prikazuju kao polovice sinusnog vala usmjerenog prema gore.

3. Strujna-naponska karakteristika diode - odnos između struje koja teče kroz diodu i napona koji se dovodi do diode. Struja koja teče kroz diodu i dalje je proporcionalna naponu na krajevima otpornika. Ovaj napon se dovodi na vertikalni ulaz osciloskopa, a na horizontalni ulaz napaja se napon sa krajeva ovog lanca, proporcionalan je naponu na diodi. Kao rezultat toga, strujno-naponska karakteristika diode se opaža na ekranu osciloskopa. Ne postoji poluperiod struje, ovo je horizontalni dio ove karakteristike, a struja teče pola perioda. Omov zakon je ovdje do određene mjere ispunjen. Količina struje koja teče kroz diodu proporcionalna je naponu primijenjenom na diodu. Ako povećate ili smanjite napon koji se primjenjuje na diodu, struja koja teče kroz diodu se povećava ili smanjuje u skladu s tim.

zaključak:

Jednosmjerna vodljivost pn spoja omogućava stvaranje ispravljačkog poluvodičkog uređaja, takozvane poluvodičke diode.

1. Predznak provodljivosti odgovara predznaku izvora, tada će se rupe pomicati ulijevo, a elektroni udesno. Kroz r-n prijelaza, teći će električna struja koja se sastoji od elektrona i rupa.

2. Predznak vodljivosti je suprotan predznaku izvora, tada se nosioci naboja kreću do polova bez prelaska granice kontakta poluvodiča, struja se ne javlja kroz p-n spoj, dakle, p-n spoj ima jednosmjernu vodljivost.

pn spoj se koristi u poluvodičkim diodama.

Tranzistor je poluvodički uređaj koji se sastoji od dva pn spoja povezana pozadi. Emiter je područje tranzistora odakle dolaze nosioci naboja. Kolektor je područje u kojem teku nosioci naboja. Baza ima ulogu sličnu onoj kontrolne mreže u lampi.

Tranzistori služe za pojačavanje električnih signala jer mala promjena napona između emitera i baze rezultira velikom promjenom napona na opterećenju spojenom u kolektorskom kolu.

Iskustvo 14.4 Tranzistor DC pojačalo

Oprema:

1. Tranzistor na postolju;

2. Fotodioda na postolju;

3. Izvor struje V-24;

4. Priključne žice;

5. Sijalica;

6. Dva demonstraciona galvanometra;

Shema instalacije:

Kada je fotoćelija potamnjena, struja je mala. Ako je fotoćelija osvijetljena, struja se povećava u dijelu G2.

Testovi za predavanje br. 14

Test 14.1.Koji se zaključci mogu izvući iz rezultata eksperimenta koji pokazuje ovisnost otpora poluvodiča o temperaturi?

£ Kako temperatura poluprovodnika raste, njegov otpor raste

£ Otpor poluprovodnika ne zavisi od njegove temperature

£ Kako temperatura poluprovodnika raste, njegov otpor se smanjuje

£ Otpor poluprovodnika ne zavisi značajno od njegove temperature

Test 14.2.Kako se zove materijal čija električna svojstva jako zavise od koncentracije hemijskih nečistoća u njemu i spoljašnjih uslova?

£ superprovodnik.

£ magnetoelektrični.

£ feroelektrični.

£ poluprovodnik.

Test 14.3.Kako se zove kvazičestica čiji je naboj po modulu jednak naboju elektrona, a masa jednaka masi elektrona?

£ neutron

£ "rupa"

£ α-čestica

£ pozitron

Test 14.4.Kako se zove poluvodički uređaj koji se sastoji od dva pn spoja međusobno povezana?

£transistor

£ kolekcionar

£ galvanometar

£ tiristor

Test 14.5.Kako se zove područje tranzistora, odakle dolaze?

nosioci naboja?

£collector

emiter

£photocell

£zener dioda

Testovi za poglavlje br. 3.

Test 1. Šta se podrazumijeva pod silama trećih strana?

£ Sile neelektrostatičkog porijekla.

£ Sile uzrokovane samo hemijskim procesima.

£ Samo mehaničke sile (sile koje se primjenjuju na rotaciju rotora generatora).

£ Sile električnog porijekla.

Test 2. Fizička veličina koju karakteriše naelektrisanje koje prolazi kroz površinu provodnika jedinične površine u jedinici vremena je...

£ trenutna snaga.

£ gustina struje.

£ napon.

£ električna otpornost.

Test 3. Kada su dva provodnika spojena u seriju u DC mrežu, jačina struje u mreži je 6,25 puta manja nego kada su isti vodiči povezani paralelno. Koliko se puta razlikuju otpori provodnika?

Test 4. Od čega zavisi vektor polarizacije u dielektriku?

dielektrični sastav

£ dielektrična veličina

£električna indukcija

£snaga polja u dielektriku

£prisustvo slobodnih naelektrisanja u dielektriku

Test 5. Odaberite tačne zaključke koji slijede iz eksperimenta koji pokazuje ovisnost otpora provodnika o temperaturi?

Otpor provodnika ne zavisi od temperature

Kako temperatura provodnika raste, njegov otpor raste

Kako temperatura provodnika opada, njegov otpor raste

Kako temperatura provodnika raste, njegov otpor se smanjuje

Kako temperatura provodnika opada, njegov otpor se smanjuje

Test 6. Koje godine je Kamerling - Oneness otkrio fenomen supravodljivosti?

Test 7. Ako ima N-čvorova u razgranatom lancu, za koliko čvorova se mogu sastaviti nezavisne jednačine? .

Test 8.

Prilikom paralelnog povezivanja vodiča, za njih vrijedi sljedeće:

Test 9.

Istaknite formule za serijski spoj provodnika:

£

£

£

£

£

Test 10. Formulacija „fenomen direktne konverzije toplote u električnu energiju u čvrstim ili tečnim provodnicima, kao i obrnuti fenomen direktnog zagrevanja i hlađenja spojeva dva provodnika prolaznom strujom” je definicija ...

£termoelektričnost

£thermo-EMF

£Faradayev efekat

Hall efekat

Test 11. Šta određuje vrijednost termo-EMF termoelementa?

£od razlike temperature spoja+

£od specifičnog termo-EMF oba provodnika

£od razlike napona

£od potencijalne razlike

Test 12. Formulacija “Razlika u električnim potencijalima koja nastaje između dodirujućih tijela u uslovima termodinamičke ravnoteže” je definicija...

£razlika napona kontakta.

£ razlika kontaktnog otpora.

£kontaktna razlika jona.

£kontaktna razlika potencijala .

£razlika struje kontakta

Test 13 . Rastvori soli, alkalija, kiselina su...

£ elektroliti

£ poluelektroliti

£ dielektrika

£ kvazielektroliti

£ poluprovodnici

Test 14. Koji od sljedećih metala su plemeniti?

Test 15. Prvi Faradejev zakon za elektrolizu glasi:

Elektrohemijski ekvivalent supstance je direktno proporcionalan njenom hemijskom ekvivalentu.

£ masa tvari oslobođene na elektrodama direktno je proporcionalna kvadratu naboja koji teče kroz elektrolit

Masa supstance koja se oslobađa na elektrodama je direktno proporcionalna naelektrisanju koje teče kroz elektrolit.+

£ masa tvari oslobođene na elektrodama je direktno proporcionalna kvadratnom korijenu količine naboja koja teče kroz elektrolit

Masa supstance koja se oslobađa na elektrodama obrnuto je proporcionalna naelektrisanju koje teče kroz elektrolit

Test 16. Koji fizički faktori imaju jonizujući efekat na gas?

£ grijanje

£ električno polje

£ povećanje zapremine gasa.

£ izloženost radijaciji.

£ smanjenje atmosferskog pritiska.

Test 17. Ako tokom pražnjenja pregledate cijev za pražnjenje plina, primijetit ćete da pražnjenje nije ravnomjerno. Razlikuju se sljedeća područja:

£ Aston's Dark Space; katodni film; tinjajući sjaj; negativna kolona.

£ Aston's Dark Space; anodni film; katodni tamni prostor; tinjajući sjaj; Faradejev tamni prostor; negativna kolona.

£ Aston's Dark Space; katodni film; katodni tamni prostor; tinjajući sjaj; Faradejev tamni prostor; pozitivna kolona.

£ Aston's Dark Space; katodni film; tinjajući sjaj; negativna kolona; pozitivna kolona

£ katodni film; katodni tamni prostor; tinjajući sjaj; Faradejev tamni prostor; pozitivna kolona

Test 18. Koja kategorija se uglavnom koristi za rasvjetu i reklamne svrhe?

£ kruna.

£ arc.

£ tinjajući.

£spark

£shimmering

Test 19. Koje vrste plazme postoje prema načinu proizvodnje?

£ plinsko pražnjenje

£ visokog napona

£ visoka temperatura

£ magnetno-elektronski

Test 20. Koje vrste magnetnih zamki postoje?

£ betatron

£ zvjezdano

£ stelator

£ tokamak

£ plazma lampa

Test 21. Koje svojstvo je glavno za plazmu?

£ dobra električna provodljivost

£ polarizabilnost

£ jonizabilnost

£ kvazineutralnost

£ životni vijek

Test 22. Kako se zove kontaktna zona poluprovodnika sa različitim vrstama provodljivosti?

£zabranjeno područje

£ provodni pojas

£p-n spoj

£valentni pojas

Test 23. Kako se zove oblast tranzistora u koju ulaze nosioci naboja?

emiter

£collector

£photocell

£mikročip

Test 24. Koja je posebnost poluprovodnika?

£tvrdi dipolni moment molekula supstance

£visoka radna temperatura

£prisustvo slobodnih nosilaca negativnih naboja

£Postoje dvije vrste električnih nosača naboja+

£prisustvo besplatnih nosilaca pozitivnih naboja

Magnetno polje u vakuumu i materiji

15. Interakcija struja. Magnetno polje. Indukcija i jačina magnetnog polja. Zavojnica sa strujom u magnetskom polju. Biot-Savart-Laplaceov zakon. Magnetno polje direktnih, kružnih i solenoidnih struja.

16. Vrtložna priroda magnetnog polja. Cirkulacija vektora indukcije magnetskog polja. Magnetski fluks. Amperska snaga. Rad kretanja provodnika sa strujom u magnetskom polju. Lorencova sila. Određivanje specifičnog naboja elektrona.

17. Magnetika. Magnetizacija. Odnos između indukcije i jačine magnetnog polja u magnetu. Magnetna permeabilnost i osjetljivost. Magneto-mehaničke pojave.

18. Koncept dija-, para- i feromagneta. Struktura domena feromagneta. Magnetna histereza. Stoletovljeva djela. Curie point. Magnetski materijali i njihova primjena.

Interakcija struja. Magnetno polje. Indukcija i jačina magnetnog polja. Zavojnica sa strujom u magnetskom polju. Biot-Savart-Laplaceov zakon. Magnetno polje direktnih, kružnih i solenoidnih struja

15.1. Interakcija struja

15.2. Magnetno polje. Indukcija i jačina magnetnog polja

15.3. Zavojnica sa strujom u magnetskom polju

15.4. Biot-Savart-Laplaceov zakon. Magnetno polje direktnih, kružnih i solenoidnih struja

Proučavanje prirode magnetskih pojava počelo je razmatranjem prirodnog magnetizma. Ova interakcija prirodnih magneta dogodila se i sa nekim supstancama koje pripadaju klasi feromagneta. U budućnosti ćemo vidjeti da interakcija ostaje ista ako se jedan od prirodnih magneta zamijeni provodnikom sa strujom (Oerstedov eksperiment), a, konačno, ovaj fenomen se može uočiti ako dva provodnika sa strujom interaguju (Ampereov eksperiment) .

Iskustvo 15.1 Oerstedovo iskustvo.

Oprema:

Rice. 15.1.

1. Magnetna igla;

2. Izvor struje V-24;

3. Dirigent;

Shema instalacije:

Strelica je u početku paralelna sa provodnikom. Kada je izvor struje uključen, strelica je postavljena okomito na provodnik. Kada se izvor napajanja isključi, strelica se vraća u prvobitni položaj.

zaključak: Oko provodnika sa strujom postoji magnetsko polje, tj. Tamo gdje postoje pokretni električni naboji, postoji magnetsko polje.

Iskustvo 15.2 Interakcija dva provodnika sa strujom.

Oprema:

1. Dvije fleksibilne folijske trake;

2. Izvor struje V-24;

3. Dirigent;

Shema instalacije:

Struje su usmjerene u suprotnom smjeru - provodnici se međusobno odbijaju.

Struje su kousmjerene - i provodnici se privlače.

zaključak: Kada dva vodiča stupaju u interakciju sa strujom, nastaju sile koje odbijaju ili privlače vodiče.

Proučavanje magnetnih fenomena pokazalo je da se magnetska interakcija opaža kada postoji kretanje električnih naboja u odnosu na posmatrača (ili uređaj za snimanje). Budući da se sve pojave povezane s relativnim kretanjem objekata nazivaju relativističkim (od engleske riječi “relative” - relativno), kažu da je magnetizam relativistički efekat.

Poluvodička dioda naziva se dvoelektrodni uređaj s jednosmjernom provodljivošću. Njegov dizajn je zasnovan na ravnoteži R-n tranzicija. Na osnovu prirode formiranja spoja, diode se dijele na točkaste i planarne.

Poluprovodničke triode se široko koriste za pretvaranje, pojačavanje i generiranje električnih oscilacija - tranzistori. Za rad tranzistora potrebno je imati dva spoja elektron-rupa, germanij se često koristi kao poluvodič.

U tranzistorima koji koriste n-r-n spoj, poluprovodnik R-tip koji se nalazi između poluprovodnika n-tip, Dizajn planarnog bipolarnog tranzistora prikazan je na slici 2.7.

Rice. 2.7. Princip rada tranzistorskog uređaja i slika tranzistora na dijagramima.

U ovom tranzistoru n-r-n tipa postoji srednja oblast sa provodljivošću rupa i dva spoljna regiona sa elektronskom provodljivošću. Srednja oblast tranzistora se zove - baza, jedno ekstremno područje – emiter , drugo - kolekcionar. Dakle, tranzistor ima dva n-r prijelaz: emiter– između emitera i baze i kolektora- između baze i kolektora. Udaljenost između njih treba biti vrlo mala, ne veća od nekoliko mikrometara, tj. Područje baze treba da bude vrlo tanko. Ovo je uslov za dobar rad tranzistora. Osim toga, koncentracija nečistoća u bazi je uvijek znatno manja nego u kolektoru i emiteru. Na shematskim slikama tranzistora, strelica pokazuje smjer struje (uvjetno, od plusa do minusa) u emiterskoj žici sa prednjim naponom na emiterskom spoju.

Razmotrimo rad tranzistora u praznom hodu, kada su uključeni samo izvori konstantnih napona napajanja E 1 i E 2 (slika 2.8).

Njihov polaritet je takav da je na emiterskom spoju napon naprijed, a na kolektorskom spoju obrnut. Stoga je otpor emiterskog spoja nizak i da bi se dobila normalna struja u ovom spoju dovoljan je napon E 1 od desetinki volta. Otpor kolektorskog spoja je visok, a napon E2 je obično nekoliko ili desetina volti.

Rice. 2.8. Kretanje elektrona i rupa u n-p-n tranzistoru.

Princip rada tranzistora je da prednji napon emiterskog spoja, odnosno sekcije baza-emiter, značajno utječe na struju kolektora: što je ovaj napon veći, to su struje emitera i kolektora veće. U ovom slučaju, promjene u struji kolektora su samo nešto manje od promjena struje emitera. Dakle, napon između baze i emitera E 1, tj. ulazni napon kontroliše struju kolektora. Pojačavanje električnih oscilacija pomoću tranzistora zasniva se upravo na ovom fenomenu.

Fizički procesi u tranzistoru odvijaju se na sljedeći način. Kako se prednji ulazni napon E1 povećava, potencijalna barijera u emiterskom spoju se smanjuje i, shodno tome, struja kroz ovaj spoj raste - struja emitera i uh. Elektroni ove struje se ubrizgavaju iz emitera u bazu i zbog difuzije prodiru kroz bazu u kolektorski spoj, povećavajući struju kolektora. Budući da kolektorski spoj radi na obrnutom naponu, u ovom spoju se pojavljuju prostorni naboji, prikazani na slici kružićima sa znakovima „+“ i „–“. Između njih nastaje električno polje. Pospješuje kretanje (izvlačenje) kroz kolektorski spoj elektrona koji su ovdje došli iz emitera, tj. uvlači elektrone u područje kolektorskog spoja.

Ako je debljina baze dovoljno mala i koncentracija rupa u njoj niska, tada većina elektrona, prošavši kroz bazu, nema vremena da se rekombinuje s rupama baze i stigne do kolektorskog spoja. Samo mali dio elektrona se rekombinuje s rupama u bazi. Kao rezultat rekombinacije, struja baze teče u osnovnoj žici. Zaista, u stabilnom stanju, broj rupa u bazi trebao bi ostati nepromijenjen. Zbog rekombinacije svake sekunde nestane određeni broj rupa, ali se pojavljuje isti broj novih rupa zbog činjenice da isti broj elektrona napušta bazu prema polu izvora E 1. Drugim riječima, mnogi elektroni se ne mogu akumulirati u bazi.

Kada bi baza imala značajnu debljinu i koncentracija rupa u njoj bila visoka, tada bi se većina elektrona emiterske struje, difundirajući kroz bazu, rekombinirala s rupama i ne bi stigla do kolektorskog spoja.

Pod uticajem ulaznog napona nastaje značajna emiterska struja sa emiterske strane u bazno područje, koji su manjinski nosioci za ovo područje. Bez vremena da se rekombinuju sa rupama tokom difuzije kroz bazu, stižu do kolektorskog spoja. Što je struja emitera veća, više elektrona dolazi do kolektorskog spoja i njegov otpor postaje manji. Struja kolektora se povećava u skladu s tim. Drugim riječima, sa povećanjem emiterske struje u bazi raste koncentracija manjinskih nosilaca injektiranih iz emitera, a što je više ovih nosilaca to je veća struja kolektorskog spoja, tj. struja kolektora i to .

Treba napomenuti da se emiter i kolektor mogu zamijeniti (tzv. inverzni način rada). Ali na tranzistorima, u pravilu, kolektorski spoj je napravljen s mnogo većom površinom od emiterskog spoja, budući da je snaga raspršena u kolektorskom spoju mnogo veća od snage raspršene u emiterskom spoju. Stoga, ako koristite emiter kao kolektor, tranzistor će raditi, ali se može koristiti samo na znatno manjoj snazi, što je nepraktično. Ako su spojne površine identične (tranzistori se u ovom slučaju nazivaju simetrično), tada bilo koja od ekstremnih regija može raditi kao emiter ili kolektor s jednakim uspjehom.

Ispitivali smo fizičke pojave u n-p-n tranzistoru. Slični procesi se dešavaju u p-n-p tranzistoru, ali u njemu se mijenjaju uloge elektrona i rupa, a polariteti napona i smjerovi struje mijenjaju se na obrnuto.

Tri najčešća načina za uključivanje tranzistora su:

- zajedničko osnovno kolo, kada je ulaz emitera i izlaz kolektora

spojen na zajedničku bazu;

- u kolu zajedničkog emitera izlazni krug kolektora

spaja se na emiter umjesto na bazu;

- zajednički kolektorski krug, inače se naziva ponavljanje emitera.

zaključak: 1. Prisustvo nečistoća u poluprovodnicima uzrokuje narušavanje jednakosti između broja rupa i elektrona, a električna struja će se stvarati pretežno naelektrisanjem istog predznaka, u zavisnosti od toga šta u poluprovodniku dominira.

2. Dizajn bilo kojeg poluprovodničkog uređaja zasniva se na ravnoteži R-n tranzicije.

Pripremljeno

Učenik 10 "A" razreda

Škola br. 610

Ivčin Aleksej

Sažetak na temu:

“Poluvodičke diode i tranzistori, njihova područja primjene”

2. Osnovni poluprovodnički uređaji (struktura i primjena)

3.Vrste poluvodičkih uređaja

4.Proizvodnja

5. Područje primjene

1. Poluprovodnici: teorija i svojstva

Prvo se morate upoznati s mehanizmom provodljivosti u poluvodičima. A da biste to učinili, morate razumjeti prirodu veza koje drže atome poluvodičkog kristala jedan blizu drugog. Na primjer, uzmite u obzir silikonski kristal.

Silicijum je četvorovalentni element. To znači da u eksternom

ljuska atoma ima četiri elektrona, relativno slabo vezana

sa jezgrom. Broj najbližih suseda svakog atoma silicijuma je takođe jednak

četiri. Interakcija para susjednih atoma se vrši pomoću

pajonoelektronska veza koja se naziva kovalentna veza. U obrazovanju

Ova veza svakog atoma uključuje monovalentni elektron, koji

koji su odvojeni od atoma (kolektivizirani kristalom) i kada

u svom kretanju većinu vremena provode u prostoru između

susednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicijuma jedan blizu drugog. Svaki atom formira četiri veze sa svojim susjedima,

i svaki valentni elektron se može kretati duž jednog od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje duž cijelog kristala.

Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu Par-elektronske veze silicija su prilično jake i ne mogu se razbiti na niskim temperaturama. Stoga silicijum ne provodi električnu struju na niskim temperaturama. Valentni elektroni uključeni u vezu atoma čvrsto su vezani za kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje ne utječe značajno na njihovo kretanje.

Elektronska provodljivost.

Kada se silicijum zagreva, kinetička energija čestica se povećava, i

pojedinačne veze su prekinute. Neki elektroni napuštaju svoje orbite i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električnom polju, oni se kreću između čvorova rešetke, formirajući električnu struju.

Vodljivost poluprovodnika zbog prisustva slobodnih metala

elektroni elektroni se nazivaju elektronska provodljivost. Kako temperatura raste, broj prekinutih veza, a samim tim i slobodnih elektrona, raste. Kada se zagrije od 300 do 700 K, broj slobodnih nosača se povećava sa 10,17 na 10,24 1/m.3. To dovodi do smanjenja otpora.

Provodljivost rupa.

Kada je veza prekinuta, elektron koji nedostaje stvara se prazna pozicija.

To se zove rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja u odnosu na druge, normalne veze. Položaj rupe u kristalu nije konstantan. Sljedeći proces se odvija kontinuirano. Jedan

od elektrona koji obezbeđuju vezu atoma, skače na mesto razmene

formiraju rupe i obnavljaju par-elektronsku vezu.

i tamo odakle je ovaj elektron skočio, formira se nova rupa. Dakle

Tako se rupa može pomicati kroz kristal.

Ako je jačina električnog polja u uzorku nula, tada se kretanje rupa, ekvivalentno kretanju pozitivnih naboja, događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. U prisustvu električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa, pa se električna struja povezana s kretanjem rupa dodaje električnoj struji slobodnih elektrona. Smjer kretanja rupa je suprotan smjeru kretanja elektrona.

Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nosača naboja: elektroni i rupe. Dakle, poluprovodnici imaju ne samo elektronsku već i provodljivost šupljina. Provodljivost u ovim uslovima naziva se intrinzična provodljivost poluprovodnika. Intrinzična provodljivost poluprovodnika je obično niska, jer je broj slobodnih elektrona mali, na primjer, u germaniju na sobnoj temperaturi ne = 3 na 10 u 23 cm u –3. U isto vrijeme, broj atoma germanija u 1 kubnom cm je oko 10 u 23. Dakle, broj slobodnih elektrona je otprilike jedan desetmilijardini dio ukupnog broja atoma.

Bitna karakteristika poluprovodnika je da oni

u prisustvu nečistoća, zajedno sa intrinzičnom provodljivošću,

dodatna - provodljivost nečistoća. Promjenom koncentracije

nečistoća, možete značajno promijeniti broj nosača naboja

ili drugi znak. Zahvaljujući tome, moguće je kreirati poluprovodnike sa

dominantna koncentracija je negativna ili pozitivna

snažno nabijeni nosači. Ova karakteristika poluprovodnika je otkrivena

pruža široke mogućnosti za praktičnu primjenu.

Donatorske nečistoće.

Pokazalo se da u prisustvu nečistoća, na primjer atoma arsena, čak i pri vrlo niskim koncentracijama, broj slobodnih elektrona raste u

mnogo puta. To se dešava iz sljedećeg razloga. Atomi arsena imaju pet valentnih elektrona, od kojih su četiri uključena u stvaranje kovalentne veze između ovog atoma i okolnih atoma, na primjer, sa atomima silicija. Peti valentni elektron je slabo vezan za atom. Lako napušta atom arsena i postaje slobodan. Koncentracija slobodnih elektrona se značajno povećava i postaje hiljadu puta veća od koncentracije slobodnih elektrona u čistom poluprovodniku. Nečistoće koje lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama, a takvi poluvodiči su poluvodiči n-tipa. U poluvodiču n-tipa, elektroni su većinski nosioci naboja, a rupe su manjinski.

Akceptorske nečistoće.

Ako se indijum, čiji su atomi trovalentni, koristi kao nečistoća, tada se mijenja priroda vodljivosti poluvodiča. Sada, za formiranje normalnih par-elektronskih veza sa susjedima, atom indija to ne čini

dobija elektron. Kao rezultat, formira se rupa. Broj rupa u kristalu

talle je jednak broju atoma nečistoća. Ova vrsta nečistoće

se nazivaju akceptor (primajući). U prisustvu električnog polja

rupe se miješaju preko polja i dolazi do provodljivosti rupe. By-

poluprovodnici s dominantnom provodljivošću kroz rupe nad elektronima

Nazivaju se poluvodiči p-tipa (od riječi pozitivno - pozitivan).

2. Osnovni poluprovodnički uređaji (struktura i primjena)

Postoje dva osnovna poluvodička uređaja: dioda i tranzistor.

/>U današnje vrijeme, poluvodičke diode se sve više koriste za ispravljanje električne struje u radio krugovima, zajedno sa dvoelektrodnim lampama, jer imaju niz prednosti. U vakuumskoj cijevi, elektroni nosioca naboja nastaju zagrijavanjem katode. U p-n spoju, nosioci naboja nastaju kada se u kristal unese nečistoća akceptora ili donora. U složenim strujnim krugovima, uštede energije koje proizlaze iz toga su vrlo značajne. Osim toga, poluvodički ispravljači, sa istim vrijednostima ispravljene struje, minijaturniji su od cijevnih ispravljača.

/> Poluprovodničke diode su napravljene od germanijuma i silicijuma. selen i druge supstance. Razmotrimo kako nastaje p-n spoj kada se koristi donja nečistoća, ovaj spoj se ne može dobiti mehaničkim povezivanjem dva poluvodiča različitih tipova; ovo rezultira prevelikim razmakom između poluvodiča. Ova debljina ne bi trebala biti veća od međuatomske udaljenosti. Zbog toga se indijum topi u jednu od površina uzorka. Zbog difuzije atoma indija duboko u monokristal germanijuma, oblast sa p-tipom provodljivosti se transformiše na površini germanijuma. Ostatak uzorka germanija, u koji atomi indija nisu prodrli, još uvijek ima n-tip provodljivosti. Između regija dolazi do p-n spoja. U poluvodiču diodegermanijum služi kao katoda, a indijum kao anoda. Slika 1 prikazuje direktnu (b) i obrnutu (c) vezu diode.

Strujno-naponska karakteristika za direktne i reverzne veze prikazana je na slici 2.

Zamijenile su lampe i vrlo se široko koriste u tehnici, uglavnom za ispravljače, također su našle primjenu u raznim uređajima.

Tranzistor.

/> Razmotrimo jednu vrstu tranzistora napravljenog od germanijuma ili silicijuma u koje su uvedene donorske i akceptorske nečistoće. Raspodjela nečistoća je takva da se između dva sloja poluvodiča p-tipa stvara vrlo tanak (reda nekoliko mikrometara) sloj poluvodiča n-tipa. 3. Ovaj tanki sloj se naziva baza ili baza dva p-n spoja, čiji su direktni smjerovi suprotni. Tri terminala iz područja s različitim tipovima provodljivosti omogućavaju vam da spojite tranzistor na kolo prikazano na slici 3. Sa ovom vezom

Lijevi pn spoj je direktan i odvaja bazu od područja sa p-tipom provodljivosti, nazvanog emiter. Kada ne bi postojao desni p–n spoj, postojala bi struja u krugu emiter-baza, ovisno o naponu izvora (baterija B1 i izvor naizmjeničnog napona).

otpor) i otpor kola, uključujući nizak direktni otpor

/>tranzicija emiter-baza. Baterija B2 je povezana tako da je desni pn spoj u kolu (vidi sliku 3) obrnut. Odvaja bazu od desnog područja sa p-tipom provodljivosti, koji se naziva kolektor. Da nije bilo lijevog pn spoja, jačina struje kolektorskog kola bi bila blizu nule, jer je otpor obrnutog spoja vrlo visok. Kada postoji struja u lijevom p-n spoju, u kolu kolektora se pojavljuje struja, a jačina struje u kolektoru je samo nešto manja od jačine struje u emiteru kada se stvori napon između emitera i baze. glavni nosioci poluprovodnika p-tipa - rupe prodiru u bazu, gde su već glavni nosioci nosača. Budući da je debljina baze vrlo mala, a broj glavnih nosilaca (elektrona) u njoj mali, rupe koje uđu u nju gotovo se ne spajaju (ne rekombinuju) s elektronima baze i prodiru u kolektor zbog do difuzije. Desni pn spoj je zatvoren za glavne nosioce naboja baze - elektrone, ali ne i za rupe. Rupe u kolektoru se odnose električnim poljem i dovršavaju krug. Snaga grananja struje u emiterski krug od baze je vrlo mala, jer je površina poprečnog presjeka baze u horizontalnoj (vidi sliku 3) mnogo manja od poprečnog presjeka u vertikalnoj ravni . Struja u kolektoru, koja je skoro jednaka struji u emiteru, varira sa strujom u emiteru. Otpor otpornika R /> ima mali utjecaj na struju u kolektoru, a ovaj otpor se može učiniti prilično velikim. Kontrolom struje emitera pomoću izvora naizmjeničnog napona spojenog na njegovo kolo, dobivamo sinhronu promjenu napona na otporniku. Ako je otpor otpornika velik, promjena napona na njemu može biti desetine hiljada puta veća od promjene signala u krugu emitera. Stoga je korištenjem opterećenja R moguće dobiti električne signale čija je snaga višestruko veća od snage koja se dovodi u krug emitera. Oni zamjenjuju vakuumske cijevi i široko se koriste u tehnici.

3.Vrste poluvodičkih uređaja.

/>Pored planarnih dioda (slika 8) i tranzistora, postoje i točkaste diode (slika 4). Point-point tranzistori (pogledajte sliku za strukturu) se oblikuju prije upotrebe, tj. propuštaju struju određene veličine, zbog čega se ispod vrha žice formira područje s vodljivošću rupa. Tranzistori dolaze u p-n-p i n-p-n tipovima. Oznaka i općenito su vidljivi na slici 5.

Postoje foto- i termistori i varistori kao što je prikazano na slici. Planarne diode uključuju selenske ispravljače Osnova takve diode je čelična podloška, ​​s jedne strane presvučena slojem selena, koji je poluvodič sa provodljivošću rupa (vidi sliku 7). Površina selena je presvučena legurom kadmija, što rezultira stvaranjem filma s elektronskom provodljivošću, zbog čega se formira ispravljački strujni prijelaz što je veća površina, to je veća ispravljačka struja.

4. Proizvodnja

/>Tehnologija proizvodnje diodata je slična. Komad indija se topi na površini kvadratne ploče površine 2-4 cm2 i debljine nekoliko frakcija milimetra, izrezan iz poluvodičkog kristala s elektronskom vodljivošću. Indijum je čvrsto legiran pločom. U ovom slučaju, atomi indija prodiru (difundiraju) u debljinu ploče, formirajući u njoj oblast sa pretežnom provodljivošću rupa (slika 6). različite vrste provodljivosti i p-n spoj između njih. Što je tanja poluprovodnička pločica. što je manji otpor diode u smjeru naprijed, veća je struja koju korigira dioda. Kontakti diode su kapljica indija i metalni disk ili šipka sa olovnim provodnicima

Nakon sastavljanja tranzistora, on se montira u kućište i spaja električni priključak. provodnici do kontaktnih ploča kristala i olovo za tijelo zatvaraju tijelo.

5. Područje primjene

/> Diode su vrlo pouzdane, ali granica njihove upotrebe je od –70 do 125 C. Jer Tačkasta dioda ima vrlo malu kontaktnu površinu, tako da struje koje takve diode mogu isporučiti nisu veće od 10-15 mA. A koriste se uglavnom za modulaciju visokofrekventnih oscilacija i za mjerne instrumente. Za bilo koju diodu postoje određene maksimalne dopuštene granice struje naprijed i nazad, ovisno o naponu naprijed i nazad i određujući njene karakteristike ispravljanja i čvrstoće.

Tranzistori su, poput dioda, osjetljivi na temperaturu i preopterećenje i na prodorno zračenje. Tranzistori, za razliku od radio cijevi, izgaraju zbog nepravilnog povezivanja.