Полупроводники. Диоды, биполярные и униполярные (МОП) транзи-сторы. Свет. Светочувствительные и светоизлучающие устройства. Оптопары (стр. 2 из 3)

Полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом и называется диодом. Отличительная особенность диода (благодаря наличию р-п-перехода) - он пропускает ток только в одном направлении - от n-области к р-области. Благодаря этому диоды нашли широкое применение в выпрямителях переменного напряжения.

Рис. 2.7

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1. По конструкции: плоскостные диоды, точечные диоды, микросплавные диоды.

2. По мощности: маломощные, средней мощности, мощные.

3. По частоте: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ.

4. По функциональному назначению: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, светодиоды, тоннельные диоды и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

маркировка диодов;

условное графическое обозначение (УГО) - обозначение на принципиальных электрических схемах.

Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:

К	С	156	А
Г	Д	507	Б
I	II	III	IV

I	- показывает материал полупроводника:	Г (1) - германий; К (2) - кремний; А (3) - арсенид галлия.
II	– тип полупроводникового диода	Д - выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;А - диоды СВЧ; С - стабилитроны; В - варикапы; И - туннельные диоды; Ф - фотодиоды;Л - светодиоды; Ц - выпрямительные столбы и блоки.
III	- цифры, показывающие разделение диодов по своим электрическим параметрам	101...399 – выпрямительные401…499 – ВЧ-диоды501…599 - импульсные
IV	- буква	показывает модификацию диодов в данной группе

Рис. 2.8. а) Так обозначают выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки

3. Биполярные и МОП-транзисторы

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, который управляется током и имеет коэффициент усиления больше единицы. Он имеет два р-п-перехода и три вывода. Эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Биполярные транзисторы бывают двух структур- р-n-р и п-р-n.

Для транзисторов структуры р-n-р справедливо все то, что относится и к структуре п-р-п, отличая только в полярности источника питания. Упрощенная структурная схема транзистора нарисована на рис. 2.9. Вывод базы располагается между эмиттером и коллектором, толщина базы очень мала - десятки микрометров (1000 мкм = 1 мм). Благодаря наличию двух р-n переходов, любой транзистор (биполярный) можно представить в виде двух диодов: с большим напряжением пробоя между базой и коллектором и с малым напряжением пробоя между базой и эмиттером. Как видно, коллекторный и эмиттерный р-п переходы по отношению к базе неравнозначны, поэтому "путать" их нельзя.

Рис. 29. Структурная и упрощенная схемы строения биполярного транзистора

Существует три схемы включения биполярного транзистора, с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ) При включении транзистора по схеме с ОБ усиливается только напряжение, с ОК - только ток, а с ОЭ - и напряжение, и ток. Схема с ОБ в цифровой технике практически никогда не используется, поэтому здесь она рассматриваться не будет.

При включении транзистора структуры n-p-п на его эмиттер подают отрицательный потенциал, а на коллектор - положительный. При соединении вывода базы с эмиттером, или если базовый вывод попросту "в обрыве" транзистор закрыт и через переход коллектор-эмиттер течет ничтожный ток, при соединении с коллектором он открывается и через транзистор течет довольно большой ток.

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером (рис, 2,10). Эмиттер соединен с общим проводом ("минусовой" вывод источника питания), а коллектор через нагрузку (на схеме - через лампочку) соединен с положительным выводом источника питания. Будем плавно увеличивать напряжение на базе относительно эмиттера (общего провода). Потенциальный барьер перехода база-эмиттер при этом будет понижаться, и его сопротивление уменьшится. Через переход начнет течь ток эмиттера I_Э обусловленный инжекцией электронов из эмиттера в базу. Но так как база имеет очень маленькую толщину, то большинство инжектированных из эмиттера в базу электронов "по инерции" пролетают потенциальный барьер перехода база-коллектор, захватываются его полем и втягиваются в коллектор, откуда они попадают в нагрузку, где и рекомбинируют с дырками. Благодаря выделяющейся при этом мощности лампочка начинает светиться. Напряжение на коллекторном выводе относительно общего провода уменьшается.

Рис. 2.10. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Так как транзистор представляет собой монолитный кристалл кремния и толщина его базы ни при каких внешних воздействиях не изменяется, то отношение количества электронов, захваченных коллектором, к количеству электронов, выделившихся в базе при неизменном напряжении питания, также неизменно. Это отношение называется статическим коэффициентом передачи тока (коэффициент усиления) и определяется по формуле:

У современных биполярных транзисторов коэффициент передачи тока h_21э больше 100, т. е. коллекторный ток в 100 раз больше базового.

При увеличении напряжения питания увеличивается потенциальный барьер перехода база-коллектор. Поэтому количество электронов, которое может "захватить" коллектор (при неизменном токе базы) уменьшается. Следовательно, будет уменьшаться и коэффициент h_21э.

Если и дальше увеличивать ток базы, то потенциальный барьер эмиттерного перехода будет уменьшаться до тех пор, пока не исчезнет совсем. Электроны смогут беспрепятственно переходить из эмиттера в базу и также беспрепятственно захватываться полем коллектора. Падение напряжения на переходе коллектор эмиттер будет уменьшаться (при увеличении тока базы и неизменном сопротивлении нагрузки и напряжении питания) до тех пор, пока не уменьшится почти до нуля.

Такой режим работы транзистора, несмотря на то, что он требует повышенного тока управления (так как коэффициент h_21э уменьшается), очень широко используется в цифровой технике.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы - это полупроводниковые приборы, сопротивление канала которых изменяется в широких пределах под воздействием приложенного к управляющему выводу (затвору) напряжения. Таким образом, полевые транзисторы, в отличие от биполярных, управляются не током, а напряжением. Ток же, текущий через управляющий вывод (ток утечки затвора I_УТ), крайне мал, и у современных полевых транзисторов его смело можно приравнять к нулю.

В зависимости от строения своих "внутренностей" полевые транзисторы делятся на две группы:

с управляющим p-n-переходом (т. е. изоляция затвора выполнена в виде p-n-перехода);

с изолированным затвором (затвор изолирован диэлектриком). Кроме того, транзисторы с изолированным затвором бывают со встроенным или индуцированным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (рис. 2.11). Транзистор, изображенный на нем, называется п-канальным, и среди биполярных транзисторов ему соответствует транзистор структуры n-p-п. Вывод эмиттера биполярных транзисторов у полевых называется истоком, база - затвором и коллектор - стоком. На этом сходство этих двух классов полупроводниковых приборов оканчиваются, дальше начинаются одни различия.

Рис. 2.11.Полевой транзистор с управляющим р-п переходом (п-канал): а- строение;б - упрощенная схема строения; в - вольт-ампернаяхарактеристика

Области стока и истока у полевых транзисторов изготавливают из сильно легированных полупроводников, т. е. из тех, у которых очень большой избыток основных носителей тока - электронов для n-проводника и дырок - для р-проводника. На рисунке эту самую "сильную легированность" обозначают значком "+" после обозначения типа полупроводника (п+, р+).

Свет

Свет - это электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом. Свет распространяется подобно радиоволнам. Как и радиоволны, свет имеет свою длину волны.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 000 000 метров в секунду. В различных средах скорость света меньше. Частота световых колебаний лежит в диапазоне от 300 до 300 000 000 гигагерц (1 гигагерц = 1000000000 герц). Из этого частотного диапазона только небольшая часть видима человеческим глазом. Видимый диапазон простирается примерно от 400000 до 750000 гигагерц. Частота инфракрасного излучения лежит ниже 400000 гигагерц, а частота ультрафиолетового излучения - выше 750000 гигагерц. Световые волны в верхней части частотного диапазона обладают большей энергией, чем световые волны в нижней части диапазона.