Resistores semicondutores. Folha de dicas: Diodos e transistores semicondutores, suas áreas de aplicação Moscow Mining State University

Preparado

Aluno da turma 10 "A"

Escola nº 610

Ivchin Alexei

Resumo sobre o tema:

“Diodos e transistores semicondutores, suas áreas de aplicação”

1. Semicondutores: teoria e propriedades

2. Dispositivos semicondutores básicos (Estrutura e aplicação)

3. Tipos de dispositivos semicondutores

4. Produção

5. Âmbito de aplicação

1. Semicondutores: teoria e propriedades

Primeiro você precisa se familiarizar com o mecanismo de condução em semicondutores. E para fazer isso, você precisa entender a natureza das ligações que mantêm os átomos de um cristal semicondutor próximos uns dos outros. Por exemplo, considere um cristal de silício.

O silício é um elemento tetravalente. Isto significa que no exterior

a camada de um átomo tem quatro elétrons, relativamente fracamente ligados

com um núcleo. O número de vizinhos mais próximos de cada átomo de silício também é igual a

quatro. A interação de um par de átomos vizinhos é realizada usando

ligação paionoeletrônica chamada ligação covalente. Na educação

esta ligação de cada átomo envolve um elétron de valência, co-

que são separados dos átomos (coletivizados pelo cristal) e quando

em seu movimento, eles passam a maior parte do tempo no espaço entre

átomos vizinhos. Sua carga negativa mantém os íons positivos de silício próximos uns dos outros. Cada átomo forma quatro ligações com seus vizinhos,

e qualquer elétron de valência pode se mover ao longo de um deles. Tendo alcançado um átomo vizinho, ele pode passar para o próximo e depois ao longo de todo o cristal.

Os elétrons de valência pertencem a todo o cristal. As ligações par-elétrons do silício são bastante fortes e não se rompem em baixas temperaturas. Portanto, o silício em baixas temperaturas não conduz corrente elétrica. Os elétrons de valência envolvidos na ligação dos átomos estão firmemente ligados à rede cristalina, e o campo elétrico externo não tem um efeito perceptível em seu movimento.

Condutividade eletrônica.

Quando o silício é aquecido, a energia cinética das partículas aumenta, e

conexões individuais são quebradas. Alguns elétrons deixam suas órbitas e ficam livres, como os elétrons de um metal. Num campo elétrico, eles se movem entre os nós da rede, formando uma corrente elétrica.

A condutividade dos semicondutores devido à presença de metais livres

elétrons elétrons é chamado de condutividade eletrônica. À medida que a temperatura aumenta, o número de ligações quebradas e, portanto, de elétrons livres, aumenta. Quando aquecido de 300 a 700 K, o número de portadores de carga gratuitos aumenta de 10,17 para 10,24 1/m.3. Isso leva a uma diminuição na resistência.

Condutividade do furo.

Quando uma ligação é quebrada, forma-se um sítio vago com um elétron ausente.

Chama-se buraco. O buraco tem um excesso de carga positiva em comparação com outras ligações normais. A posição do buraco no cristal não é constante. O seguinte processo ocorre continuamente. Um

dos elétrons que garantem a conexão dos átomos, salta para o local de troca

buracos formados e restaura a ligação par-eletrônica aqui.

e de onde esse elétron saltou, um novo buraco é formado. Então

Assim, o buraco pode se mover por todo o cristal.

Se a intensidade do campo elétrico na amostra for zero, então o movimento dos furos, equivalente ao movimento das cargas positivas, ocorre aleatoriamente e, portanto, não cria uma corrente elétrica. Na presença de um campo elétrico, ocorre um movimento ordenado dos buracos e, assim, a corrente elétrica associada ao movimento dos buracos é adicionada à corrente elétrica dos elétrons livres. A direção do movimento dos buracos é oposta à direção do movimento dos elétrons.

Portanto, nos semicondutores existem dois tipos de portadores de carga: elétrons e lacunas. Portanto, os semicondutores não têm apenas condutividade eletrônica, mas também condutividade de furo. A condutividade nessas condições é chamada de condutividade intrínseca dos semicondutores. A condutividade intrínseca dos semicondutores é geralmente baixa, uma vez que o número de elétrons livres é pequeno, por exemplo, no germânio à temperatura ambiente ne = 3 por 10 em 23 cm em –3. Ao mesmo tempo, o número de átomos de germânio em 1 cm cúbico é de cerca de 10 em 23. Assim, o número de elétrons livres é aproximadamente um décimo bilionésimo do número total de átomos.

Uma característica essencial dos semicondutores é que eles

na presença de impurezas, juntamente com a condutividade intrínseca,

adicional - condutividade de impurezas. Mudando a concentração

impurezas, você pode alterar significativamente o número de portadores de carga

ou outro sinal. Graças a isso, é possível criar semicondutores com

concentração predominante é negativa ou positiva

portadores fortemente carregados. Esta característica dos semicondutores foi descoberta

oferece amplas oportunidades para aplicação prática.

Impurezas doadoras.

Acontece que na presença de impurezas, por exemplo átomos de arsênico, mesmo em concentrações muito baixas, o número de elétrons livres aumenta em

muitas vezes. Isso acontece pelo seguinte motivo. Os átomos de arsênico têm cinco elétrons de valência, quatro dos quais estão envolvidos na criação de uma ligação covalente entre este átomo e os átomos circundantes, por exemplo, com átomos de silício. O quinto elétron de valência parece estar fracamente ligado ao átomo. Ele sai facilmente do átomo de arsênico e fica livre. A concentração de elétrons livres aumenta significativamente e torna-se mil vezes maior que a concentração de elétrons livres em um semicondutor puro. As impurezas que doam elétrons facilmente são chamadas de impurezas doadoras, e esses semicondutores são semicondutores do tipo n. Em um semicondutor do tipo n, os elétrons são os portadores de carga majoritários e as lacunas são os portadores de carga minoritários.

Impurezas aceitadoras.

Se o índio, cujos átomos são trivalentes, for usado como impureza, a natureza da condutividade do semicondutor muda. Agora, para formar ligações pares-eletrônicas normais com seus vizinhos, o átomo de índio não

recebe um elétron. Como resultado, um buraco é formado. O número de buracos no cristal

talle é igual ao número de átomos de impureza. Esse tipo de impureza é

são chamados de aceitadores (recebedores). Na presença de um campo elétrico

os buracos se misturam no campo e ocorre a condução do buraco. Por-

semicondutores com predominância de condução de buracos sobre elétrons

Eles são chamados de semicondutores do tipo p (da palavra positiv - positivo).

2. Dispositivos semicondutores básicos (Estrutura e aplicação)

Existem dois dispositivos semicondutores básicos: o diodo e o transistor.

A característica corrente-tensão para conexões diretas e reversas é mostrada na Figura 2.

Eles substituíram lâmpadas e são amplamente utilizados em tecnologia, principalmente para retificadores e também encontraram aplicação em diversos dispositivos;

Transistor.

A junção pn esquerda é direta e separa a base da região do tipo p chamada emissor. Se não houvesse junção p-n direita, haveria uma corrente no circuito emissor-base, dependendo da tensão das fontes (bateria B1 e fonte de tensão alternada

resistência) e resistência do circuito, incluindo baixa resistência direta

A condução unidirecional de contatos entre dois semicondutores (ou metal para semicondutor) é usada para retificar e converter correntes alternadas. Se houver uma transição elétron-buraco, então sua ação será semelhante à ação de dois

lâmpada eletrodo - diodo. Portanto, um dispositivo semicondutor contendo uma junção p-n é chamado diodo semicondutor (cristalino). Semicondutor diodos por design eles são divididos em apontar E plano. Se um pulso de corrente de curto prazo passar através de um diodo na direção direta, uma camada com condutividade p é formada. Uma junção pn com alto coeficiente de retificação é formada no limite desta camada. Devido à baixa capacitância da camada de contato, os diodos pontuais são usados ​​​​como detectores (retificadores) de oscilações de alta frequência até a faixa de comprimento de onda centimétrica.

As junções p-n não apenas possuem excelentes propriedades de retificação, mas também podem ser usadas para amplificação e, se o feedback for introduzido no circuito, então para gerar oscilações elétricas. Os dispositivos destinados a esses fins são

tenho o nome triodos semicondutores ou transistores. O germânio e o silício são utilizados para a fabricação de transistores, pois se caracterizam por grande resistência mecânica, resistência química e maior

semicondutores, mobilidade das operadoras atuais. Os triodos semicondutores são divididos em apontar E plano. Os primeiros aumentam significativamente a tensão, mas suas potências de saída são baixas devido ao perigo de superaquecimento (por exemplo, o limite superior da potência operacional

A temperatura de um triodo pontual de germânio está na faixa de 50 a 80 °C. Os triodos planares são mais potentes. Eles podem ser como p-p-p e digite p-p-p dependendo da alternância de áreas com diferentes condutividades. Transistor compreende bases (parte intermediária do transistor), emissor E colecionador (áreas adjacentes à base em ambos os lados com um tipo de condução diferente)

pontes). Uma tensão de polarização direta constante é aplicada entre o emissor e a base, e uma tensão de polarização reversa constante é aplicada entre a base e o coletor. As fontes de tensão alternada amplificadas -

para a impedância de entrada , e o amplificado é removido da resistência de saída. Fluxo de corrente no circuito emissor

é causada principalmente pelo movimento dos furos (são os principais portadores de corrente) e é acompanhada pela sua injeção - injeção - para a área base. Os furos que penetram na base difundem-se em direção ao coletor, e com pequena espessura

Não na base, uma parcela significativa dos furos injetados chega ao coletor. Aqui os buracos são capturados pelo campo que atua dentro da junção (atraído pelo coletor carregado negativamente), como resultado da mudança da corrente do coletor. Portanto, todos

Alguma mudança na corrente no circuito emissor causa uma mudança na corrente no circuito coletor. Um transistor, como um tubo de vácuo,

dá um aumento na tensão e na potência.

25.(Força de Lorentz. Trabalho da força de Lorentz. Efeito Hall)

Força agindo sobre uma carga elétrica Q, movendo-se em um campo magnético com velocidade V , chamado Força de Lorentz e é expresso pela fórmula, onde EM- indução do campo magnético no qual a carga se move.

Módulo de força de Lorentz , onde α é o ângulo entre v E EM. A força de Lorentz é sempre perpendicular à velocidade de movimento de uma partícula carregada, portanto apenas muda a direção dessa velocidade, sem alterar seu módulo. Por isso, Força de Lorentz

não faz nenhum trabalho. Em outras palavras, um campo magnético constante não realiza trabalho sobre uma partícula carregada que se move nele, e a energia cinética dessa partícula não muda quando se move em um campo magnético. Se em um elétrico em movimento

carga além do campo magnético com indução EM existe também um campo elétrico com intensidade E, então a força resultante F, aplicada à carga é igual à soma vetorial das forças - a força que atua a partir do campo elétrico e a força de Lorentz: A direção da força de Lorentz e a direção da deflexão de uma partícula carregada em um campo magnético por ela causado dependem do sinal da carga P partículas.

Efeito Hall (1879) é a ocorrência em um metal (ou semicondutor) com densidade de corrente j, colocado em um campo magnético EM, campo elétrico em uma direção perpendicular a EM Paraj. Vamos colocar uma placa de metal com densidade de corrente j para magnético

campo EM, perpendicular a j. Para uma determinada direção j a velocidade dos portadores de corrente no metal - os elétrons - é direcionada da direita para a esquerda. Os elétrons experimentam a força de Lorentz, que neste caso é direcionada para cima. Assim, na borda superior da placa haverá um aumento da concentração de elétrons (será carregada negativamente), e na borda inferior haverá falta de elétrons (será carregada positivamente). Como resultado, um campo elétrico transversal adicional surgirá entre as bordas da placa Eu, direcionado de baixo para cima. Quando a tensão Eu Este campo transversal atinge um valor tal que sua ação sobre as cargas equilibrará a força de Lorentz, então será estabelecida uma distribuição estacionária de cargas na direção transversal.

Então onde A- largura da placa; ∆f - diferença de potencial transversal (Hall).

Considerando que a força atual Eu = jS =nevS (S- área da seção transversal da espessura da placa d, n- concentração de elétrons, v - velocidade média do movimento ordenado dos elétrons, densidade de corrente j = env), obtemos, ou seja, A diferença de potencial transversal de Hall é proporcional à indução magnética EM, força atual / e é inversamente proporcional à espessura da placa d.

- Constante de salão, dependendo da substância. Por o valor medido da constante Hall pode ser: 1) determinado

concentração de portadores de corrente no condutor (com condutividade e carga de portadores conhecidas); 2) julgar a natureza da condutividade dos semicondutores, pois o sinal da constante Hall coincide com o sinal da carga e dos portadores de corrente. Portanto o efeito

O efeito Hall é o método mais eficaz para estudar o espectro de energia dos portadores de corrente em metais e semicondutores.

O elemento principal da maioria dos elementos semicondutores é a junção pn.

Uma junção pn é a região na fronteira dos semicondutores do tipo p e n.

Convencionalmente, uma junção pn pode ser mostrada da seguinte forma:

Experiência 14.3. Diodo semicondutor.

Objetivo do trabalho:

Estude o princípio de funcionamento de um diodo semicondutor.

Equipamento:

1. Fonte de tensão CA ajustável

2. Osciloscópio

3. Fique com um diagrama

Progresso.

1. A instalação consiste em uma fonte de tensão alternada ajustável, um osciloscópio e um suporte com circuito. A tensão alternada da fonte é fornecida à entrada do suporte. Uma sinusóide é observada na tela do osciloscópio. Se você aumentar ou diminuir a tensão aplicada, a amplitude do sinal senoidal visível na tela do osciloscópio aumenta ou diminui de acordo.

2. Estudaremos a natureza da corrente que flui através do diodo. A tensão que entra no suporte é aplicada às bordas de um circuito composto por um resistor e um diodo conectados em série. Como resultado, não é mais uma corrente alternada que flui pelo circuito, mas uma corrente pulsante, pois o diodo retifica a corrente. Permite que a corrente passe em uma direção e não na outra. No diagrama, o diodo é representado de tal forma que a ponta do triângulo, nesta fase voltada para cima, indica o sentido da corrente que passa pelo diodo. Para saber qual é a natureza da corrente que passa pelo diodo, uma tensão é aplicada ao amplificador vertical, que é retirado das extremidades da resistência. Esta tensão é proporcional à corrente que flui através da resistência. Observa-se que a corrente através do diodo flui em apenas uma direção. Não há corrente por meio período - seções horizontais, por meio período a corrente flui. Estas são metades de sinusóides voltadas para baixo. Mas se você alterar a tensão fornecida à entrada do suporte, a quantidade de corrente que flui através do diodo também mudará. Se você girar o diodo 180 graus, a ponta do triângulo no diagrama será direcionada para baixo, ou seja, a direção da corrente que flui através do diodo mudará. O sinal na tela do osciloscópio desapareceu. O diodo é removido do suporte e o sinal aparece novamente na tela do osciloscópio. Entretanto, agora aqueles semiciclos que correspondem ao fluxo de corrente através do diodo são exibidos como metades de uma onda senoidal direcionada para cima.

3. Característica corrente-tensão de um diodo - a relação entre a corrente que flui através do diodo e a tensão fornecida ao diodo. A corrente que flui através do diodo ainda é proporcional à tensão nas extremidades dos resistores. Esta tensão é fornecida à entrada vertical do osciloscópio, e a entrada horizontal é fornecida pela tensão das extremidades deste circuito, sendo proporcional à tensão no diodo; Como resultado, a característica corrente-tensão do diodo é observada na tela do osciloscópio. Não há meio período de corrente, esta é uma seção horizontal desta característica, e meio período a corrente flui. A lei de Ohm é cumprida aqui até certo ponto. A quantidade de corrente que flui através do diodo é proporcional à tensão aplicada ao diodo. Se você aumentar ou diminuir a tensão aplicada ao diodo, a corrente que flui através do diodo aumentará ou diminuirá de acordo.

Conclusão:

A condutividade unidirecional da junção pn permite criar um dispositivo semicondutor retificador, o chamado diodo semicondutor.

1. O sinal de condutividade corresponde ao sinal da fonte, então os buracos se moverão para a esquerda e os elétrons para a direita. Através р-n transição, uma corrente elétrica consistindo de elétrons e buracos fluirá.

2. O sinal de condutividade é oposto ao sinal da fonte, então os portadores de carga se movem para os pólos sem cruzar o limite de contato do semicondutor, nenhuma corrente ocorre através da junção pn, portanto, a junção pn tem condutividade unidirecional.

A junção pn é usada em diodos semicondutores.

Um transistor é um dispositivo semicondutor que consiste em duas junções pn conectadas costas com costas. O emissor é a área do transistor de onde vêm os portadores de carga. Um coletor é uma área por onde fluem os portadores de carga. A base desempenha um papel semelhante ao da grade de controle de uma lâmpada.

Os transistores servem para amplificar sinais elétricos porque uma pequena mudança na tensão entre o emissor e a base resulta em uma grande mudança na tensão através da carga conectada no circuito coletor.

Experiência 14.4 Amplificador transistorizado DC

Equipamento:

1. Transistor em suporte;

2. Fotodiodo em suporte;

3. Fonte de corrente V-24;

4. Fios de conexão;

5. Lâmpada;

6. Dois galvanômetros de demonstração;

Diagrama de instalação:

Quando a fotocélula está escurecida, a corrente é pequena. Se a fotocélula estiver iluminada, a corrente aumenta na seção G2.

Testes para a aula nº 14

Teste 14.1.Que conclusões podem ser tiradas dos resultados do experimento que demonstra a dependência da resistência do semicondutor com a temperatura?

£ À medida que a temperatura de um semicondutor aumenta, sua resistência aumenta

£ A resistência de um semicondutor não depende de sua temperatura

£ À medida que a temperatura de um semicondutor aumenta, sua resistência diminui

£ A resistência de um semicondutor não depende significativamente de sua temperatura

Teste 14.2.Qual é o nome de um material cujas propriedades elétricas dependem fortemente da concentração de impurezas químicas nele e das condições externas?

£ supercondutor.

£ magnetoelétrico.

£ ferroelétrico.

£ semicondutor.

Teste 14.3.Qual é o nome de uma quasipartícula cuja carga em módulo é igual à carga de um elétron e cuja massa é igual à massa do elétron?

£ nêutron

£ "buraco"

£ α-partícula

£ pósitron

Teste 14.4.Qual é o nome de um dispositivo semicondutor que consiste em duas junções pn conectadas costas com costas?

£ transistor

£ colecionador

£ galvanômetro

£ tiristor

Teste 14.5.Qual é o nome da região do transistor, de onde eles vêm?

cobrar das operadoras?

£colecionador

emissor

£fotocélula

diodo zener

Testes para o capítulo nº 3.

Teste 1. O que se entende por forças terceirizadas?

£ Forças de origem não eletrostática.

£ Forças causadas apenas por processos químicos.

£ Somente forças mecânicas (forças aplicadas para girar o rotor do gerador).

£ Forças de origem elétrica.

Teste 2. Uma quantidade física caracterizada por uma carga que passa por uma área condutora de área unitária por unidade de tempo é...

£ força atual.

£ densidade de corrente.

£ tensão.

£ resistividade elétrica.

Teste 3. Quando dois condutores são conectados em série a uma rede CC, a intensidade da corrente na rede é 6,25 vezes menor do que quando os mesmos condutores são conectados em paralelo. Quantas vezes as resistências dos condutores diferem?

Teste 4. De que depende o vetor de polarização em um dielétrico?

composição dielétrica

£ tamanho dielétrico

£indução elétrica

£ intensidade de campo no dielétrico

£presença de cargas livres no dielétrico

Teste 5. Escolha as conclusões corretas após a experiência de demonstração da dependência da resistência do condutor com a temperatura?

A resistência do condutor não depende da temperatura

À medida que a temperatura do condutor aumenta, sua resistência aumenta

À medida que a temperatura do condutor diminui, sua resistência aumenta

À medida que a temperatura do condutor aumenta, sua resistência diminui

À medida que a temperatura do condutor diminui, sua resistência diminui

Teste 6. Em que ano foi descoberto o fenômeno da supercondutividade por Kamerling-Oness?

Teste 7. Se houver N nós em uma cadeia ramificada, para quantos nós podemos traçar equações independentes? .

Teste 8.

Ao conectar condutores em paralelo, o seguinte é o mesmo para eles:

Teste 9.

Destaque as fórmulas para conexão em série de condutores:

£

£

£

£

£

Teste 10. A formulação “o fenômeno da conversão direta de calor em eletricidade em condutores sólidos ou líquidos, bem como o fenômeno reverso de aquecimento e resfriamento direto das junções de dois condutores pela passagem de corrente” é a definição ...

£termeletricidade

£termo-EMF

£Efeito Faraday

Efeito Hall

Teste 11. O que determina o valor do termo-EMF de um termopar?

£da diferença de temperatura da junção+

£do termo-EMF específico de ambos os condutores

£da diferença de tensão

£da diferença de potencial

Teste 12. A formulação “A diferença de potenciais elétricos que surge entre corpos em contato sob condições de equilíbrio termodinâmico” é uma definição...

£ diferença de tensão de contato.

£ diferença de resistência de contato.

£ diferença de contato de íons.

£ diferença de potencial de contato .

£ entre em contato com a diferença atual

Teste 13 . Soluções de sais, álcalis, ácidos são...

£ eletrólitos

£ semieletrólitos

£ dielétricos

£ quase-eletrólitos

£ semicondutores

Teste 14.Quais dos seguintes metais são nobres?

Teste 15. A primeira lei de Faraday para eletrólise afirma:

O equivalente eletroquímico de uma substância é diretamente proporcional ao seu equivalente químico.

£ a massa da substância liberada nos eletrodos é diretamente proporcional ao quadrado da carga que flui através do eletrólito

A massa da substância liberada nos eletrodos é diretamente proporcional à carga que flui através do eletrólito.+

£ a massa da substância liberada nos eletrodos é diretamente proporcional à raiz quadrada da quantidade de carga que flui através do eletrólito

A massa da substância liberada nos eletrodos é inversamente proporcional à carga que flui através do eletrólito

Teste 16. Quais fatores físicos têm efeito ionizante no gás?

£ aquecimento

£ campo elétrico

£ aumento no volume de gás.

£ exposição à radiação.

£ diminuição da pressão atmosférica.

Teste 17. Se você examinar o tubo de descarga de gás durante a descarga, notará que a descarga não é uniforme. As seguintes áreas são diferenciadas:

£ Espaço Escuro de Aston; filme catódico; brilho fumegante; coluna negativa.

£ Espaço Escuro de Aston; filme anódico; espaço escuro do cátodo; brilho fumegante; Espaço escuro de Faraday; coluna negativa.

£ Espaço Escuro de Aston; filme catódico; espaço escuro do cátodo; brilho fumegante; Espaço escuro de Faraday; coluna positiva.

£ Espaço Escuro de Aston; filme catódico; brilho fumegante; coluna negativa; coluna positiva

£ filme catódico; espaço escuro do cátodo; brilho fumegante; Espaço escuro de Faraday; coluna positiva

Teste 18.Qual categoria é usada principalmente para fins de iluminação e publicidade?

£ coroa.

£ arco.

£ fumegante.

£ faísca

£ cintilante

Teste 19. Que tipos de plasma existem de acordo com o método de produção?

£ descarga de gás

£ alta tensão

£ alta temperatura

£ magnético-eletrônico

Teste 20. Que tipos de armadilhas magnéticas existem?

£ betatron

£ estrelado

£ estelar

£ tokamak

£ tocha de plasma

Teste 21. Qual propriedade é a principal do plasma?

£ boa condutividade elétrica

£ polarizabilidade

£ ionizabilidade

£ quase-neutralidade

£ vitalício

Teste 22. Qual é o nome da zona de contato de semicondutores com diferentes tipos de condutividade?

£área proibida

£ banda de condução

Junção £p-n

banda de valência

Teste 23. Qual é o nome da região do transistor por onde entram os portadores de carga?

emissor

£colecionador

£fotocélula

£ microchip

Teste 24.Qual é a peculiaridade dos semicondutores?

£ momento de dipolo duro das moléculas de uma substância

£alta temperatura operacional

£presença de portadores livres de cobranças negativas

£existem dois tipos de portadores de carga elétrica+

£presença de portadores livres de cargas positivas

Campo magnético no vácuo e na matéria

15. Interação de correntes. Um campo magnético. Indução e intensidade do campo magnético. Uma bobina com corrente em um campo magnético. Lei de Biot-Savart-Laplace. Campo magnético de correntes diretas, circulares e solenoidais.

16. Natureza vórtice do campo magnético. Circulação do vetor de indução do campo magnético. Fluxo magnético. Potência Ampere. O trabalho de mover um condutor condutor de corrente em um campo magnético. Força de Lorentz. Determinação da carga específica de um elétron.

17. Magnética. Magnetização. Relação entre indução e intensidade do campo magnético em um ímã. Permeabilidade magnética e suscetibilidade. Fenômenos magnetomecânicos.

18. O conceito de dia-, para- e ferromagnetos. Estrutura de domínio de ferromagnetos. Histerese magnética. As obras de Stoletov. Ponto Curie. Materiais magnéticos e suas aplicações.

Interação de correntes. Um campo magnético. Indução e intensidade do campo magnético. Uma bobina com corrente em um campo magnético. Lei de Biot-Savart-Laplace. Campo magnético de correntes diretas, circulares e solenoidais

15.1. Interação de correntes

15.2. Um campo magnético. Indução e intensidade do campo magnético

15.3. Uma bobina com corrente em um campo magnético

15.4. Lei de Biot-Savart-Laplace. Campo magnético de correntes diretas, circulares e solenoidais

O estudo da natureza dos fenômenos magnéticos começou com a consideração do magnetismo natural. Essa interação dos ímãs naturais também ocorreu com algumas substâncias que pertencem à classe dos ferromagnetos. No futuro, veremos que a interação permanece a mesma se um dos ímãs naturais for substituído por um condutor com corrente (experimento de Oersted) e, por fim, esse fenômeno pode ser observado se dois condutores com corrente interagirem (experimento de Ampère) .

Experiência 15.1 A experiência de Oersted.

Equipamento:

Arroz. 15.1.

1. Agulha magnética;

2. Fonte de corrente V-24;

3. Condutor;

Diagrama de instalação:

A seta é inicialmente paralela ao condutor. Quando a fonte de corrente é ligada, a seta é colocada perpendicularmente ao condutor. Quando a fonte de alimentação é desligada, a seta retorna à sua posição original.

Conclusão: Existe um campo magnético ao redor do condutor que transporta corrente, ou seja, Onde há cargas elétricas em movimento, existe um campo magnético.

Experiência 15.2 Interação de dois condutores com corrente.

Equipamento:

1. Duas fitas flexíveis;

2. Fonte de corrente V-24;

3. Condutor;

Diagrama de instalação:

As correntes são direcionadas na direção oposta - os condutores se repelem.

As correntes são codirecionadas – e os condutores se atraem.

Conclusão: Quando dois condutores interagem com a corrente, surgem forças que repelem ou atraem os condutores.

O estudo dos fenômenos magnéticos mostrou que a interação magnética é observada quando há movimento de cargas elétricas em relação ao observador (ou dispositivo de registro). Como todos os fenômenos associados ao movimento relativo dos objetos são chamados de relativísticos (da palavra inglesa “relativo” - relativo), dizem que o magnetismo é um efeito relativístico.

Diodo semicondutor chamado de dispositivo de dois eletrodos com condutividade unidirecional. Seu design é baseado em um equilíbrio R-n transição. Com base na natureza da formação da junção, os diodos são divididos em pontuais e planares.

Triodos semicondutores são amplamente utilizados para converter, amplificar e gerar oscilações elétricas - transistores. Para que um transistor funcione, é necessário ter duas junções elétron-buraco; o germânio é frequentemente usado como semicondutor;

Em transistores usando n-р-n junção, semicondutor R-tipo localizado entre semicondutores n tipo, O projeto de um transistor bipolar planar é mostrado na Figura 2.7.

Arroz. 2.7. O princípio de funcionamento do dispositivo transistor e a imagem dos transistores nos diagramas.

Neste transistor n-р-n tipo, há uma região intermediária com condutividade de furo e duas regiões externas com condutividade eletrônica. A região intermediária do transistor é chamada - base, uma área extrema – emissor , outro - colecionador. Assim, o transistor tem dois n-r transição: emissor– entre emissor e base e colecionador- entre a base e o coletor. A distância entre eles deve ser muito pequena, não mais do que alguns micrômetros, ou seja, A área da base deve ser muito fina. Esta é uma condição para o bom funcionamento do transistor. Além disso, a concentração de impurezas na base é sempre significativamente menor do que no coletor e no emissor. Nas imagens esquemáticas dos transistores, a seta mostra a direção da corrente (condicional, de mais para menos) no fio emissor com tensão direta na junção do emissor.

Consideremos a operação do transistor em modo sem carga, quando apenas as fontes de tensões de alimentação constantes E 1 e E 2 estão ligadas (Figura 2.8).

Sua polaridade é tal que na junção do emissor a tensão é direta e na junção do coletor é reversa. Portanto, a resistência da junção emissora é baixa e para obter uma corrente normal nesta junção é suficiente uma tensão E 1 de décimos de volt. A resistência da junção do coletor é alta e a tensão E2 é geralmente de alguns ou dezenas de volts.

Arroz. 2.8. O movimento de elétrons e lacunas em um transistor npn.

O princípio de funcionamento do transistor é que a tensão direta da junção emissor, ou seja, a seção base-emissor, afeta significativamente a corrente do coletor: quanto maior essa tensão, maiores serão as correntes do emissor e do coletor. Neste caso, as alterações na corrente do coletor são apenas ligeiramente menores que as alterações na corrente do emissor. Assim, a tensão entre a base e o emissor E 1, ou seja, a tensão de entrada controla a corrente do coletor. A amplificação das oscilações elétricas por meio de um transistor é baseada justamente nesse fenômeno.

Os processos físicos no transistor ocorrem da seguinte maneira. À medida que a tensão de entrada direta E1 aumenta, a barreira de potencial na junção do emissor diminui e, consequentemente, a corrente através desta junção aumenta - a corrente do emissor eu uh. Os elétrons dessa corrente são injetados do emissor para a base e, por difusão, penetram pela base na junção do coletor, aumentando a corrente do coletor. Como a junção do coletor opera em tensão reversa, nesta junção aparecem cargas espaciais, mostradas na figura por círculos com os sinais “+” e “–”. Um campo elétrico surge entre eles. Promove o movimento (extração) através da junção coletora de elétrons que vieram do emissor, ou seja, atrai elétrons para a região da junção do coletor.

Se a espessura da base for pequena o suficiente e a concentração de buracos nela for baixa, então a maioria dos elétrons, tendo passado pela base, não terá tempo de se recombinar com os buracos da base e chegar à junção do coletor. Apenas uma pequena fração dos elétrons se recombina com buracos na base. Como resultado da recombinação, uma corrente de base flui no fio de base. Na verdade, num estado estacionário, o número de furos na base deve permanecer inalterado. Devido à recombinação, vários buracos desaparecem a cada segundo, mas o mesmo número de novos buracos aparece devido ao fato de que o mesmo número de elétrons sai da base em direção ao pólo da fonte E 1. Em outras palavras, muitos elétrons não podem se acumular na base.

Se a base tivesse uma espessura significativa e a concentração de buracos nela fosse alta, então a maioria dos elétrons da corrente do emissor, difundindo-se através da base, se recombinariam com os buracos e não alcançariam a junção do coletor.

Sob a influência da tensão de entrada, surge uma corrente significativa do emissor, elétrons são injetados na região base do lado do emissor, que são portadores minoritários para esta região. Sem ter tempo de se recombinar com os furos durante a difusão pela base, eles chegam à junção do coletor. Quanto maior a corrente do emissor, mais elétrons chegam à junção do coletor e menor se torna sua resistência. A corrente do coletor aumenta proporcionalmente. Em outras palavras, com o aumento da corrente do emissor na base, a concentração de portadoras minoritárias injetadas do emissor aumenta, e quanto mais portadoras, maior será a corrente de junção do coletor, ou seja, corrente de coletor eu para .

Deve-se notar que o emissor e o coletor podem ser trocados (o chamado modo inverso). Mas nos transistores, via de regra, a junção do coletor é feita com uma área muito maior que a junção do emissor, pois a potência dissipada na junção do coletor é muito maior que a potência dissipada na junção do emissor. Portanto, se você usar o emissor como coletor, o transistor funcionará, mas só poderá ser usado com potência significativamente menor, o que é impraticável. Se as áreas de junção forem idênticas (neste caso, os transistores são chamados simétrico), então qualquer uma das regiões extremas pode funcionar como emissor ou coletor com igual sucesso.

Examinamos os fenômenos físicos em um transistor npn. Processos semelhantes ocorrem em um transistor p-n-p, mas nele os papéis dos elétrons e dos buracos mudam, e as polaridades da tensão e as direções da corrente mudam para reversas.

As três maneiras mais comuns de ligar transistores são:

- circuito de base comum, quando a entrada do emissor e a saída do coletor

conectado a uma base comum;

- em um circuito emissor comum circuito de saída do coletor

conecta-se ao emissor em vez da base;

- circuito coletor comum, também chamado de repetição do emissor.

Conclusão: 1. A presença de impurezas nos semicondutores provoca uma violação da igualdade entre o número de buracos e elétrons, e a corrente elétrica será criada predominantemente por cargas de mesmo sinal, dependendo do que predomina no semicondutor.

2. O projeto de qualquer dispositivo semicondutor é baseado no equilíbrio R-n transições.

Preparado

Aluno da turma 10 "A"

Escola nº 610

Ivchin Alexei

Resumo sobre o tema:

“Diodos e transistores semicondutores, suas áreas de aplicação”

2. Dispositivos semicondutores básicos (Estrutura e aplicação)

3.Tipos de dispositivos semicondutores

4. Produção

5. Área de aplicação

1. Semicondutores: teoria e propriedades

Primeiro você precisa se familiarizar com o mecanismo de condutividade em semicondutores. E para fazer isso, você precisa entender a natureza das ligações que mantêm os átomos de um cristal semicondutor próximos uns dos outros. Por exemplo, considere um cristal de silício.

O silício é um elemento tetravalente. Isto significa que no exterior

a camada de um átomo tem quatro elétrons, relativamente fracamente ligados

com um núcleo. O número de vizinhos mais próximos de cada átomo de silício também é igual a

quatro. A interação de um par de átomos vizinhos é realizada usando

ligação paionoeletrônica chamada ligação covalente. Na educação

Esta ligação de cada átomo envolve um elétron monovalente, que

que são separados dos átomos (coletivizados pelo cristal) e quando

em seu movimento, eles passam a maior parte do tempo no espaço entre

átomos vizinhos. Sua carga negativa mantém os íons positivos de silício próximos uns dos outros. Cada átomo forma quatro ligações com seus vizinhos,

e qualquer elétron de valência pode se mover ao longo de um deles. Tendo alcançado um átomo vizinho, ele pode passar para o próximo e depois ao longo de todo o cristal.

Os elétrons de valência pertencem a todo o cristal.As ligações eletrônicas de pares de silício são bastante fortes e não podem ser quebradas em baixas temperaturas. Portanto, o silício não conduz corrente elétrica em baixas temperaturas. Os elétrons de valência envolvidos na ligação dos átomos estão firmemente ligados à rede cristalina, e o campo elétrico externo não tem um efeito perceptível em seu movimento.

Condutividade eletrônica.

Quando o silício é aquecido, a energia cinética das partículas aumenta, e

conexões individuais são quebradas. Alguns elétrons deixam suas órbitas e ficam livres, como os elétrons de um metal. Num campo elétrico, eles se movem entre os nós da rede, formando uma corrente elétrica.

Condutividade de semicondutores devido à presença de metais livres

elétrons elétrons é chamado de condutividade eletrônica. À medida que a temperatura aumenta, o número de ligações quebradas e, portanto, de elétrons livres, aumenta. Quando aquecido de 300 a 700 K, o número de portadores de carga gratuitos aumenta de 10,17 para 10,24 1/m.3. Isso leva a uma diminuição na resistência.

Condutividade do furo.

Quando uma ligação é quebrada, uma posição vaga é criada pelo elétron ausente.

Chama-se buraco. O buraco tem um excesso de carga positiva em comparação com outras ligações normais. A posição do buraco no cristal não é constante. O seguinte processo ocorre continuamente. Um

dos elétrons que garantem a conexão dos átomos, salta para o local de troca

buracos formados e restaura a conexão par-eletrônica aqui.

e de onde esse elétron saltou, um novo buraco é formado. Então

Assim, o buraco pode se mover por todo o cristal.

Se a intensidade do campo elétrico na amostra for zero, então o movimento dos furos, equivalente ao movimento das cargas positivas, ocorre aleatoriamente e, portanto, não cria uma corrente elétrica. Na presença de um campo elétrico, ocorre um movimento ordenado dos buracos e, assim, uma corrente elétrica associada ao movimento dos buracos é adicionada à corrente elétrica dos elétrons livres. A direção do movimento dos buracos é oposta à direção do movimento dos elétrons.

Portanto, nos semicondutores existem dois tipos de portadores de carga: elétrons e lacunas. Portanto, os semicondutores não têm apenas condutividade eletrônica, mas também condutividade de furo. A condutividade nessas condições é chamada de condutividade intrínseca dos semicondutores. A condutividade intrínseca dos semicondutores é geralmente baixa, uma vez que o número de elétrons livres é pequeno, por exemplo, no germânio à temperatura ambiente ne = 3 por 10 em 23 cm em –3. Ao mesmo tempo, o número de átomos de germânio em 1 cm cúbico é de cerca de 10 em 23. Assim, o número de elétrons livres é aproximadamente um décimo bilionésimo do número total de átomos.

Uma característica essencial dos semicondutores é que eles

na presença de impurezas, juntamente com a condutividade intrínseca,

adicional - condutividade de impurezas. Mudando a concentração

impurezas, você pode alterar significativamente o número de portadores de carga

ou outro sinal. Graças a isso, é possível criar semicondutores com

concentração predominante é negativa ou positiva

portadores fortemente carregados. Esta característica dos semicondutores foi descoberta

oferece amplas oportunidades para aplicação prática.

Impurezas doadoras.

Acontece que na presença de impurezas, por exemplo átomos de arsênico, mesmo em concentrações muito baixas, o número de elétrons livres aumenta em

muitas vezes. Isso acontece pelo seguinte motivo. Os átomos de arsênio têm cinco elétrons de valência, quatro dos quais estão envolvidos na criação de uma ligação covalente entre este átomo e os átomos circundantes, por exemplo, com átomos de silício. O quinto elétron de valência está fracamente ligado ao átomo. Ele sai facilmente do átomo de arsênico e fica livre. A concentração de elétrons livres aumenta significativamente e torna-se mil vezes maior que a concentração de elétrons livres em um semicondutor puro. As impurezas que doam elétrons facilmente são chamadas de impurezas doadoras, e esses semicondutores são semicondutores do tipo n. Em um semicondutor do tipo n, os elétrons são os portadores de carga majoritários e as lacunas são os portadores de carga minoritários.

Impurezas aceitadoras.

Se o índio, cujos átomos são trivalentes, for usado como impureza, a natureza da condutividade do semicondutor muda. Agora, para a formação de ligações pares-eletrônicas normais com vizinhos, o átomo de índio não

recebe um elétron. Como resultado, um buraco é formado. Número de furos no cristal

talle é igual ao número de átomos de impureza. Esse tipo de impureza

são chamados de aceitadores (recebedores). Na presença de um campo elétrico

os furos se misturam no campo e ocorre a condutividade do furo. Por-

semicondutores com condução de buraco predominante sobre elétrons

Eles são chamados de semicondutores do tipo p (da palavra positiv - positivo).

2. Dispositivos semicondutores básicos (Estrutura e aplicação)

Existem dois dispositivos semicondutores básicos: o diodo e o transistor.

/>Hoje em dia, os diodos semicondutores são cada vez mais utilizados para retificar corrente elétrica em circuitos de rádio, juntamente com lâmpadas de dois eletrodos, por apresentarem uma série de vantagens. Em um tubo de vácuo, os elétrons portadores de carga são gerados pelo aquecimento do cátodo. Em uma junção pn, os portadores de carga são formados quando uma impureza aceitadora ou doadora é introduzida no cristal. Assim, não há necessidade de uma fonte de energia para obter portadores de carga. Em circuitos complexos, as poupanças de energia daí resultantes revelam-se muito significativas. Além disso, os retificadores semicondutores, com os mesmos valores de corrente retificada, são mais diminutos que os retificadores valvulados.

/> Os diodos semicondutores são feitos de germânio e silício. selênio e outras substâncias. Vamos considerar como uma junção p-n é criada ao usar uma impureza inferior; esta junção não pode ser obtida conectando mecanicamente dois semicondutores de tipos diferentes, porque; isso resulta em uma lacuna muito grande entre os semicondutores e os semicondutores. Essa espessura não deve ser maior que as distâncias interatômicas. Portanto, o índio é derretido em uma das superfícies da amostra. Devido à difusão dos átomos de índio profundamente no cristal único de germânio, uma região com condutividade do tipo p é transformada na superfície do germânio. O restante da amostra de germânio, na qual os átomos de índio não penetraram, ainda possui condutividade do tipo n. Uma junção pn ocorre entre as regiões. Em um semicondutor, o diodogermânio serve como cátodo e o índio serve como ânodo. A Figura 1 mostra a conexão direta (b) e reversa (c) do diodo.

A característica corrente-tensão para conexões diretas e reversas é mostrada na Figura 2.

Eles substituíram lâmpadas e são amplamente utilizados em tecnologia, principalmente para retificadores e também encontraram aplicação em diversos dispositivos;

Transistor.

/> Vamos considerar um tipo de transistor feito de germânio ou silício com impurezas doadoras e aceitadoras introduzidas nele. A distribuição de impurezas é tal que uma camada muito fina (da ordem de vários micrômetros) de semicondutor tipo n é criada entre duas camadas de semicondutor tipo p. 3. Esta fina camada é chamada de base ou base. Duas junções p-n são formadas no cristal, cujas direções diretas são opostas. Três terminais de áreas com diferentes tipos de condutividade permitem conectar o transistor ao circuito mostrado na Figura 3. Com esta conexão

A junção pn esquerda é direta e separa a base da região com condutividade do tipo p, chamada de emissor. Se não houvesse junção p-n direita, haveria uma corrente no circuito emissor-base, dependendo da tensão das fontes (bateria B1 e fonte de tensão alternada).

resistência) e resistência do circuito, incluindo baixa resistência direta

/> transição emissor-base. A bateria B2 está conectada de forma que a junção pn direita no circuito (ver Fig. 3) esteja invertida. Ele separa a base da região direita com condutividade do tipo p, chamada de coletor. Se não houvesse junção pn esquerda, a intensidade da corrente do circuito coletor seria próxima de zero, pois a resistência da junção reversa é muito alta. Quando há uma corrente na junção p-n esquerda, uma corrente aparece no circuito coletor, e a intensidade da corrente no coletor é apenas ligeiramente menor que a intensidade da corrente no emissor. Quando uma tensão é criada entre o emissor e a base, os principais portadores do semicondutor tipo P - os orifícios penetram na base, onde já são os principais portadores. Como a espessura da base é muito pequena e o número de portadores principais (elétrons) nela é pequeno, os buracos que entram nela quase não se combinam (não se recombinam) com os elétrons da base e penetram no coletor devido à difusão. A junção pn direita está fechada para os principais portadores de carga da base - elétrons, mas não para buracos. Os furos do coletor são levados pelo campo elétrico e completam o circuito. A intensidade da corrente que se ramifica no circuito emissor a partir da base é muito pequena, uma vez que a área da seção transversal da base no plano horizontal (ver Fig. 3) é muito menor do que a seção transversal no plano vertical . A corrente no coletor, que é quase igual à corrente no emissor, varia com a corrente no emissor. A resistência do resistor R /> tem pouco efeito sobre a corrente no coletor, e essa resistência pode ser bastante grande. Ao controlar a corrente do emissor usando uma fonte de tensão alternada conectada ao seu circuito, obtemos uma mudança síncrona na tensão através do resistor. Se a resistência do resistor for grande, a mudança na tensão através dele pode ser dezenas de milhares de vezes maior que a mudança no sinal no circuito emissor. Isso significa um aumento na tensão. Portanto, utilizando uma carga R, é possível obter sinais elétricos cuja potência é muitas vezes maior que a potência fornecida ao circuito emissor. Eles substituem os tubos de vácuo e são amplamente utilizados na tecnologia.

3.Tipos de dispositivos semicondutores.

/>Além dos diodos planares (Fig. 8) e dos transistores, também existem diodos pontuais (Fig. 4). Transistores ponto-ponto (veja a figura para estrutura) são moldados antes do uso, ou seja, Eles passam uma corrente de certa magnitude, como resultado da formação de uma área com condutividade de furo sob a ponta do fio. Os transistores vêm nos tipos p-n-p e n-p-n. Designação e geral são visíveis na Figura 5.

Existem foto-termistores e varistores, conforme mostrado na figura. Os diodos planares incluem retificadores de selênio. A base de tal diodo é uma arruela de aço revestida em um lado com uma camada de selênio, que é um semicondutor com condutividade de furo (ver Fig. 7). A superfície do selênio é revestida com uma liga de cádmio, resultando na formação de um filme com condutividade eletrônica, resultando na formação de uma transição de corrente retificadora.

4. Produção

/>A tecnologia de fabricação de diodata é semelhante. Um pedaço de índio é derretido na superfície de uma placa quadrada com área de 2 a 4 cm2 e espessura de várias frações de milímetro, cortada de um cristal semicondutor com condutividade eletrônica. O índio é firmemente ligado pela placa. Neste caso, os átomos de índio penetram (difundem-se) na espessura da placa, formando nela uma região com condutividade de furo predominante (Fig. 6). diferentes tipos de condutividade e uma junção pn entre eles. Quanto mais fino for o wafer semicondutor. quanto menor a resistência do diodo na direção direta, maior será a corrente corrigida pelo diodo. Os contatos do diodo são uma gota de índio e um disco ou haste de metal com condutores de chumbo

Após a montagem do transistor, ele é montado na carcaça e a conexão elétrica é feita. os condutores para as placas de contato do cristal e o condutor do corpo selam o corpo.

5. Âmbito de aplicação

/> Os diodos são altamente confiáveis, mas seu limite de uso é de –70 a 125 C. Porque Um diodo pontual tem uma área de contato muito pequena, portanto as correntes que esses diodos podem fornecer não são superiores a 10-15 mA. E são usados ​​principalmente para modular oscilações de alta frequência e para instrumentos de medição. Para qualquer diodo, existem certos limites máximos permitidos de corrente direta e reversa, dependendo da tensão direta e reversa e da determinação de suas propriedades de retificação e resistência.

Os transistores, assim como os diodos, são sensíveis à temperatura e à sobrecarga e à radiação penetrante. Os transistores, ao contrário dos tubos de rádio, queimam devido à conexão inadequada.