Изучение свойств P-N-перехода различными методами

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ p - n -ПЕРЕХОДА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ По лупроводники представляют собой группу веществ, по своим свойствам зан имающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. П ри температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля, полупровод ники проявляют свойства хороших диэлектриков. Однако даже при незначит ельном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро уме ньшается и он начинает проводить электрический ток - становится проводя щим. Это - основное отличие полупроводников от проводников и диэлектрико в. Типичными представителями полупроводников являются германий, кремн ий, сурьма, индий, закись меди и др.. Однако, на практике наибольшее признан ие нашли германий и кремний, на примере которых мы и рассмотри подробнее свойства полупроводников. Структура кристаллической решётки и собственная проводимос ть полупроводников. Электронные оболочки атома герма ния содержат 28 электронов, 4 из которых являются валентными. Каждый атом к ристаллической решётки чистого (без примесей) полупроводника окружён ч етырьмя такими же атомами, расположенными друг от друга так близко, что в алентные электроны каждого атома имеют возможность переходить от данн ого атома к соседнему. Благодаря этому каждый атом кристаллической решё тки связан с соседним атомом только двумя валентными электронами, один и з которых «свой», а второй - «чужой». Рис . 1 На р ис. 1 (а) показаны два уединённых атома полупроводника. Кружок со знаком «+» символизирует ядро с двадцатью семью электронами, а кружок со знаком «-» - самый удалённый от ядра, двадцать восьмой, электрон (один из четырёх вале нтных). На рис. 1 (б) показаны те же два атома, но расположенные очень близко д руг от друга. Теперь эти самые удалённые от ядер электроны стали принадл ежать сразу двум атомам. Если же атом окажется окружён четырьмя соседями (рис. 1 (в)), как это имеет место внутри кристаллической решётки, то задейств ованными оказываются все четыре валентных электрона. Такая связь атомо в называется ковалентной и является весьм а прочной. Схематично траектории электронов, участвующих в образов ании ковалентной связи, принято изображать параллельными линиями. Та на рис. 2 показана ковалентная связь атомов одного слоя кристаллической реш ётки полупроводника. При температурах кристалла, близких к абсолютному нулю, энергия валентных электронов довольно невелика, и поэтому все они остаются в пределах электронных оболочек и принимают участие в осущест влении ковалентной связи атомов. Однако с ростом температуры кристалл п олупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, которая пер ераспределяется между всеми частицами кристаллической решётки. Если э нергия, полученная при этом электроном, окажется равной или превысит опр еделённую величину, называемую энергией активации , то электрон покинет свои атомы, нарушая при этом ковалентную с вязь, и перейдёт в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными , поскольку они в своём тепловом движении могут свободно перемещаться по всему кристаллу полупроводник а. Нарушение в том месте, откуда вырвался электрон, ковалентной связи, при водит к появлению в этой области не скомпенсированного положительного заряда ядра одного из атомов кристаллической решётки (см. рис. 2). Такой зар яд называется дыркой . Таким образом, при температурах порядка комнатных и выше в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество за ряда обоих знаков - свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержи т примесей, то в любой момент времени число свободных электронов равно ч ислу имеющихся в кристалле дырок. При постоянной температуре это число в среднем остаётся постоянным и быстро возрастает с ростом температуры. В отсутствие внешнего электрического поля и свободные электроны и дырки беспорядочно блуждают по всему куску полупроводника. При этом следует о тметить, что движение свободных электронов в кристалле полупроводника совершенно аналогично беспорядочному движению свободных электронов в металле. Движение же дырок не похоже ни на один из других механизмов пере носа заряда. Дырка - это не частица, обладающая положитель ным зарядом, а лишь нарушенная ковалентная связь атомов . И ли, иными словами, дырка представляет собой не скомпенсир ованную часть заряда ядра атома, т. е. нечто вроде иона (в пол ном смысле ионом её назвать нельзя, т. к. заряд иона обусловлен зарядом ядр а только одного атома, а в случае дырок речь идёт о заряде ядра одного из д вух соседних атомов). Рис . 2 Но к овалентная связь (даже нарушенная) иона со своими соседями не позволяет ему даже при очень высоких температурах полупроводника покинуть место своего пребывания в узле кристаллической решётки. Однако, в процессе бес порядочного движения свободных электронов, те из них, которые проходят с лишком близко от какой-либо дырки, под действием электростатической сил ы притяжения как бы «ныряют» в неё. В результате ковалентная связь восст анавливается и дырка исчезает. Исчезает, разумеется, и свободный электро н (теперь он становится валентным). Такое событие называется актом рекомбинации . Исчезновение дырки и свободного электрона не приводит к истощению полу проводника зарядами, т. к. наряду с этим событием где-то в других местах кр исталла происходит образование новой пары дырка - свободный электрон. По скольку вероятность образования новой такой пары равна вероятности ак та рекомбинации, то в среднем число актов рекомбинации в единицу времени равно числу вновь образовавшихся пар «свободный электрон-дырка». Поэто му среднее число электронов и дырок при постоянной температуре полупро водника остаётся неизменным. Если же к концам кристалла полупроводника приложить неко торую разность потенциалов, то и свободные электроны и дырки придут в на правленное движение. При этом механизм перемещения зарядов совершенно аналогичен описанному выше за тем лишь исключением, что дрейф зарядов пр оисходит в определённом направлении: электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению электрического поля, а дырки - по ходу дейст вия поля. Итак, в кристалле полупроводника в дали от температур абс олютного нуля имеется два рода заряда - свободные электроны и дырки, кото рые под действием внешнего электрического поля способны создавать в кр исталле полупроводника электрический ток. Величина этого тока зависит от величины электрического поля и температуры кристалла (концентрации зарядов). Поскольку в создании тока в равной степени прини мают участие и электроны и дырки, то такой механизм проводимости называе тся электронно-дырочной проводимостью ил и собственной проводимостью . Зонная теория проводимости Выше были рассмотрены причины, по которым электрическое сопротивление металлов и полупроводников завис ит от температуры. Более строгое обоснование этой зависимости даёт зонн ая теория проводимости. Известно, что энергия электрона внутри атома мож ет изменяться только дискретно. В отношении электрона, обладающего тем и ли иным значением энергии, говорят, что «электрон находится на данном эн ергетическом уровне». На рис. 3 схематично изображены энергетические уро вни уединённого атома. Все уровни отделены друг от друга так называемыми запрещёнными зонами . В отсутствие внешни х источников энергии атом находится в невозбуждённом состоянии, а его ва лентный электрон - на самом нижнем энергетическом уровне, который называ ется основным или невозбуж дённым уровнем . Если же атом поглощает из вне энергию (напр имер, тепловую), то электроны оболочек переходят на более высокие ( возбуждённые ) энергетические уровни. Так обсто ит дело с уединённым атомом. Но когда атомы находятся внутри кристалличе ской решётки (расположены близко друг от друга), то взаимодействие между атомами приводит к расщеплению каждого энергетического уровня на множ ество подуровней (рис. 4). В результате поглощение атомом даже незначитель ной энергии приводит к переходу электронов на более высокий подуровень данного энергетического уровня. На рис. 5 (а) показаны два энергетических у ровня атома металла. При абсолютном нуле температуры электроны атомов м еталла занимают только самые нижние подуровни валентной зоны. Поскольк у все подуровни одной зоны расположены очень близко друг к другу и верхн ие подуровни зоны проводимости остаются свободными, то при даже незначи тельном повышении температуры кристалла электроны легко переходят на более высокие энергетические подуровни. Воздействие внешнего электрич еского поля также способствует переходу электронов с нижних на верхние подуровни, в результате чего такие возбуждённые электроны становятся э лектронами проводимости. Несколько иначе обстоит дело с кристаллом диэлектрика. В отличии от металлов валентная зона диэлектрика полностью занята элект ронами. Свободными от электронов являются только подуровни второй, трет ьей и т. д. энергетических зон. Чтобы кристалл был способен проводить ток н еобходимо перевести электроны на эти свободные подуровни. Но свободная зона отделена от валентной очень широкой запрещённой зоной. Для её преод оления недостаточно тепловой энергии и даже электрического поля. Поэто му диэлектрики не проводят ток. Кристалл полупроводника занимает промежуточное положе ние между металлами и диэлектриками. Как и у диэлектриков, у полупроводн иков заняты все подуровни валентной зоны. Однако свободная зона кристал ла полупроводника отделена от валентной зоны очень узкой запрещённой з оной (даже уже чем у металлов). Поэтому даже при незначительном повышении температура полупроводника его электроны без труда преодолевают запре щённую зону и попадают на свободные подуровни свободной энергетическо й зоны. В результате кристалл становится способным проводить электриче ский ток. Чем выше температура полупроводника, тем меньше его сопротивле ние: , (5) где - кон станта, - шир ина запрещённой зоны (энергия активации, т. е. энергия, которую нужно затра тить, чтобы перевести электроны из валентной зоны в свободную зону), - пос тоянная Больцмана. После логарифмирования выражения (5), получим: . (6) ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ Электропроводность чистых (бе з примесей) полупроводников невелика из-за относительно небольшого сод ержания в них свободных электронов и дырок. Ситуация меняется, если в кри сталл чистого полупроводника добавить незначительное количество атом ов другого элемента с большей или меньшей валентностью атомов. Так, если в кристалл германия (4-х валентен) ввести примесь сурьмы (5-ти валентна), то к овалентная связь между разнородными атомами будет создаваться всеми четырьмя валентными электронами герма ния и только четырьмя валентными элект ронами сурьмы. Пятый же валентный электрон сурьмы окажется «не в удел», а поскольку он, будучи валентным, слабо связан с ядром своего атома и не зан ят в образовании ковалентной связи, то очень легко может покинуть свой а том, став свободным электроном без образования новой дырки. Таким образо м, в кристалле полупроводника с примесью окажется больше свободных элек тронов, чем дырок. Поэтому при наложении на полупроводник внешнего элект рического поля в кристалле возникает электрический ток, порождаемый, пр ежде всего, электронами. Такая проводимость называется электронной или просто проводи мостью n -типа . Если в тот же кристалл германия вв ести некоторое количество индия (вместо сурьмы), то проводимость кристал л окажется обратной. Поскольку индий трёхвалентен, то в образовании кова лентной связи смогут принять участие только три его электрона. Такая свя зь атома индия с атомом германия окажется не до конца укомплектованной, что приведёт к образованию новой дырки без образования свободного элек трона. В результате общее число дырок в кристалле окажется больше числа свободных электронов. Проводимость такого кристалла будет осуществлят ься, прежде всего, дырками. Поэтому она называется дырочн ой проводимостью или проводимостью p -типа . С физической точки зрения особый интерес представляют пр оцессы, происходящие в контактах полупроводников с различным типом про водимости. Тончайший слой на границе раздела двух полупроводников p - и n -типов принято называть p - n -переходом. При этом, очевидно, что в области полупроводника p -типа им еет место повышенная концентрация дырок, а в области n - типа – повышенная концентрация электро нов. В результате взаимной диффузии электронов из n -области в p -область, а дырок из p -обла сти в n -область, вблизи p - n -пе рехода n -область заряжается полож ительно, а p -область – отрицатель но. При этом на границе раздела полупроводников возникает двойной элект рический слой толщиной порядка 0,1 мкм, создающий электрическое поле, напр авленное от n -области к p -области, которое препятствует дальнейше й диффузии носителей. Благодаря этому полю возрастает энергия неосновн ых носителей (электронов в p -облас ти и дырок в n -области). При этом в об ласти p - n -перехода энергетические зоны искривляются, что приводит к возникновению потенциальных барьеров для электронов и дырок, а это при водит к оттоку неосновных носителей заряда из соответствующих областе й. Поскольку ток неосновных носителей ( ток проводимости или дрейфовый ток ) направлен навстречу току основных носителей ( дифф узионный ток ), то в результате взаимной компенсации результирующий ток через p - n -переход равен нулю (рис. 1. а .). Ситуация меняется, когда к p - n -переходу приложено вне шняя разность потенциалов. Если при этом напряжённость внешнего поля со впадает по направлению с вектором напряженности контактного поля, то го ворят, что p - n -переход включён в обратно м ( запирающем ) направлении . Высота потенциального барьера при эт ом увеличивается, что приводит к уменьшению диффузионного тока (рис. 1. б .). Ток же проводимости, вследствие малой ко нцентрации неосновных носителей, с ростом разности потенциалов на p - n -переходе изменяется очень медленно. При достаточно высоком обрат ном напряжении на p - n -переходе ток через него обусловлен тольк о дрейфовой составляющей и поэтому вовсе перестаёт зависеть от величин ы этого напряжения. Значение обратного тока при высоких обратных напряж ениях называют током насыщения ( ). При изменении полярности напряжения на p - n -пе реходе под действием внешнего поля потенциальный барьер уменьшится и т ок проводимости останется практически неизменным, а диффузионный ток н ачнёт возрастать (рис. 1. в .) по экспоненциаль ному закону: , (1) где - ток насыщения; е – заряд электр она; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; U – величина напряжения, приложенного к p - n -переходу в обратном направлении. Выражение (1) описывает вол ьтамперную характеристику (ВАХ) p - n -перехода. Удобным средством при изучени и свойств p - n -перехода является полупроводниковый д иод, который представляет собой две сваренные между собой пластинки p - и n -типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из ни х расположены по краям, они относительно больших размеров и обладают одн а проводимостью p -типа, а втора я - проводимостью n -типа (рис. 2). Тр етья зона называется p - n переходом и представляет собой очен ь узкую область, разделяющую области с p - и n -типами проводимо сти (она образуется на стадии изготовления диода в результате диффузии п ластинок полупроводника с различными типами проводимости). Внешние пов ерхности областей с p - и n -типами проводимости покрывают мета ллическими электродами. Электрод, контактирующий с областью p -типа, называется анодо м , а контактирующий с областью n -типа - катодом . Если на электроды диода подать пос тоянное напряжение, соединив анод с положительным полюсом источника то ка, а катод - с отрицательным, то под действием возникшего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстреч у полю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивлени е p - n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электри ческий ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напр яжению. В этом случае говорят, что к диоду приложено прямо е напряжение и через диод течёт прямой ток , а сам диод находится в открытом состоянии . Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (н а нём – «-«). В результате область p - n перехода расширяется, образуя об еднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p - n перехода и ток через диод резко уменьшает ся в сотни раз. Диод переходит в закрытое состояние . В этом случае говорят, что к диоду приложено обр атное напряжение и через диод течёт обрат ный ток . Зависимость величины протекающего через диод тока от вел ичины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольта мперной характеристикой диода (рис. 3). Существование обратного тока объя сняется тем, что технически невозможно изготовить полупроводники p - и n - типов, обладающих только д ырочной или только электронной проводимостью. Наличие некоторого коли чества электронов в полупроводнике p - типа и дырок в полупроводнике n - типа и обеспечивает незна чительный ток в обратном направлении (полным отсутствием обратного ток а обладают только вакуумные диоды, работающие совершенно по иному принц ипу и в данной работе не рассматривающиеся). Поскольку величина обратног о тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «п рижата» к оси напряжений. Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в беско нечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высоко е прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p - n переход сильно нагревается и плавится - ди од перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерн о высокого обратного напряжения. В этом случае p - n переход, не выдерж ивая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойст во односторонней проводимости диодом будет утеряно и он станет проводи ть ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характе ризуется прежде всего двумя основными параметрами - макс имально допустимым прямым током и мак симально допустимым обратным напряжением . Диоды различных ма рок обладают различными значениями и . Обе эти характерис тики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зависимо сть прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нели нейность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где ве личина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень ме дленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижени и между электродами прямого напряжения определённой величины диод отк рывается и дальнейшая зависимость тока от напряжения становится практ ически линейной. Разные диоды обладают различной величиной открывающе го напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо ме ньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открыв аться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напр яжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении мн огих технических задач. Так, например, использование диода в качестве да тчика температуры или для контроля величины переменного тока желатель но использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо изб авиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевы й диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды в полне взаимозаменяемы. Способность диода проводить электрический ток характер изуется величиной электрического сопротивления p - n п ерехода, которое называется внутренним сопротивлением диода . Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни р аз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значител ьно меньше прямого тока. Математически зависимость может быт ь в первом приближении описана выражением (1). Однако, при более детальном рассмотрении вопроса необходимо учитывать ряд обстоятельств, связанны х, прежде всего, с наличием двух контактов на границе полупроводник-мета ллический электрод. Как известно, при контакте двух тел, обладающих разл ичной работой выхода, в месте их контакта возникает перетекание электро нов так, что тело с меньшей работой выхода электронов заряжается положит ельно, а тело с большей работой выхода – отрицательно. В результате на гр анице металл-полупроводник возникает, так называемый, дв ойной электрический слой или запирающий с лой и, следовательно, потенциальный барьер (помимо того по тенциального барьера, который порождается самим p - n -пе реходом). Возникающая при этом в месте контакта разность потенциалов наз ывается контактной разностью потенциалов . Образовавшиеся при этом заряды располагаются не строго на поверх ности контактирующих тел (как это принято считать в электростатике), а ра спределены в пограничных слоях некоторой толщины. В металлах из-за больш ой плотности электронов в них, заряд сосредоточен почти точно на поверхн ости (в пределах одного-двух атомных слоёв), а в полупроводниках вследств ие их малой проводимости он простирается на значительно большую глубин у. Наличие потенциального барьера на границе металл-полупр оводник способен несколько изменить характер зависимости , что выну ждает переписать формулу (1) в виде: , (2) где - коэффици ент, зависящий от строения запирающего слоя. При комнатной температуре д ля однородного тонкого слоя =1. УСТ РОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Диод В основе принципа выпрямления нап ряжения лежит свойство полупроводникового диода проводить электричес кий ток только в одном направлении. Схематично полупроводниковый диод м ожет быть представлен в виде двух сваренных между собой пластинок p - и n -типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из них располож ены по краям, они относительно больших размеров и обладают одна проводим остью p -типа, а вторая - проводимост ью n -типа. Третья зона называется p - n переходом и представляет собой очень узкую область, разделяющ ую области с p - и n -типами проводимости (она образуется на ст адии изготовления диода в результате диффузии пластинок полупроводник а с различными типами проводимости). Внешние поверхности областей с p - и n -типами проводимости покрывают металлическими пластинками, к кот орым припаивают электроды. Электрод, контактирующий с областью p -типа, называется анодо м , а контактирующий с областью n -типа - катодом . Диод может находиться в одном из двух состояний - открытом или закрытом . Если на электроды подать постоянное напряжение, соединив анод с п оложительным полюсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под дей ствием возникшего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу полю), а дырки - от анода к катоду (по хо ду поля). В результате сопротивление p - n перехода резко уменьшает ся и через него начинает течь электрический ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению. В этом случае говорят, что к д иоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток , а сам диод находится в открытом состоянии . Если изменить поляр ность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на н его теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём «-«). В результате область p - n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p - n п ерехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз. Диод переходит в з акрытое состояние. В этом случае говорят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток . Наличие обратного тока является недостатком полупровод никового диода. Существование этого тока объясняется тем, что техническ и невозможно изготовить полупроводники p - и n - типов, обладающих только дырочной или только электронной пров одимостью. Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p - типа и дырок в полу проводнике n - типа и обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (полным отсутс твием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совер шенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся). Способность диода проводить электрический ток характер изуется величиной электрического сопротивления p - n п ерехода, которое называется внутренним сопротивлением диода . Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни р аз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значител ьно меньше прямого тока. Зависимость величины протекающего через диод т ока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называет ся вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода (рис. 2). Поскольку величина о братного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень п лотно «прижата» к оси напряжений. Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в беско нечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высоко е прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p - n переход сильно нагревается и плавится - ди од перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерн о высокого обратного напряжения. В этом случае p - n переход, не выдерж ивая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойст во односторонней проводимости диодом будет утеряно и он станет проводи ть ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характе ризуется прежде всего двумя основными параметрами - макс имально допустимым прямым током и мак симально допустимым обратным напряжением . Диоды различных ма рок обладают различными значениями и . Обе эти характерис тики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зависимо сть прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нели нейность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где ве личина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень ме дленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижени и между электродами прямого напряжения определённой величины диод отк рывается и дальнейшая зависимость тока от напряжения становится практ ически линейной. Разные диоды обладают различной величиной открывающе го напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо ме ньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открыв аться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напр яжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении мн огих технических задач. Так, например, использование диода в качестве да тчика температуры или для контроля величины переменного тока желатель но использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо изб авиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевы й диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды в полне взаимозаменяемы. Стабилитрон Стабилитрон представляет соб ой разновидность диода и способен выполнять его функции. Однако обратна я ветвь ВАХ стабилитрона значительно отличается от аналогичного участ ка этой характеристики диода. По мере роста обратного напряжения ток в о братном направлении через стабилитрон сначала изменяется очень медлен но (как у диода), а при достижении обратным напряжением определённой вели чины, резко возрастает. Ситуация очень похожа на пробой обычного диода, н о из строя стабилитрон при этом не выходит (если обратный ток не превышае т допустимой величины). Напряжение, начиная с которого стабилитрон входи т в режим пробоя, называется напряжением стабилизации , а соответствующий ему ток минимальным током ста билизации . Предельно допусти мый для данного стабилитрона ток стабилизации называется максимальным током стабилизации . Из рисунке 4 видно, ч то незначительное изменение напряжения ведёт к довольно существенному изменению обратного тока через стабилитрон. Отношение этих величин называется дифференциальным сопротивлением стабилитрона и является очень важной его характеристикой. Величина дифференциально го сопротивления является функцией обратного тока стабилитрона. Чем бо льше этот ток, тем меньше дифференциальное сопротивление, а значит, согл асно закону Ома, тем меньше изменение напряжения на электродах стабилит рона. Подробнее работу стабилитрона ра ссмотрим на примере схемы, изображённой на рис. 5. Эта схема представляет с обой простейший параметрический стабилизатор напряжен ия . Состоит он из стабилитрона и балластного сопротивлен ия, выполняющего роль ограничителя обратного тока через стабилитрон (во избежании перегрева). На вход стабилизатора подаётся постоянное напряж ение от внешнего источника питания. Нагрузка стабилизатора подключается не посредственно к электродам стабилитрона. В задачу этого устройства вхо дит поддержание такого режима питания нагрузки, чтобы даже при значител ьном изменении входного напряжения , изменение напряжения на нагрузке не превышало очень малой величины . Если входное напряжение по какой-либо причине возрастёт на величину , то и о братный через стабилитрон ток возрастёт на некоторую величину . Это в ызовет уменьшение дифференциального сопротивления стабилитрона на ве личину . Уменьшение же сопротивления приведёт к уменьшению напряжения на элект родах стабилитрона, а, значит, и на нагрузке. В результате питаемое нагруз ку напряжение останется равным . Транзистор Транзистор представляет собо й полупроводниковый прибор, способный работать в ключевом или усилител ьном режимах. В отличии от диода, транзистор имеет два p - n -перехода, между которыми располагается полупроводник, например, p -типа, а по обе стороны от p - n -переходов – кристаллы полупроводника n -типа. Такие транзисторы называются транзисторами n - p - n типа (рис. 6. а .). Если между p - n -переходами располагае тся полупроводник n -типа, а по об е стороны от p - n - переходов – полупроводники p -типа, то такой транзистор называют транз истором p - n - p типа (рис. 6. б .). Центральная област ь транзистора называется базой , а край ние области – эмиттером и коллектором . В функции эмиттера входит вводить (э митировать) в базу дырки (в транзисторе p - n - p типа) или электроны (в транзисторе n - p - n типа), а функции колл ектора – собирать эти заряды. Графическое обозначение транзисторов ра зной структуры показано на рисунке 7. Легко заметить, что такая комбинац ия полупроводников напоминает два диода с общим анодом ( n - p - n ) или катодом ( p - n - p ). Такая аналогия вполне справедли ва и на практике позволяет легко тестировать транзистор на предмет его р аботоспособности при помощи обычного омметра. Рассмотрим в общих чертах работу транзистора p - n - p типа. Пусть сначала цепь эмиттер-б аза разомкнута, а между коллектором и базой приложено обратное напряжен ие порядка десяти вольт. В этом случае p - n -переход окажется запертым, и в коллекторной цепи будет протекать обратный ток незначительной величины, являющийся важной характеристикой тра нзистора. Теперь между эмиттером и базой приложим прямое напряжени е порядка единиц вольт. Поскольку эмиттер содержит значительно больше ат омов примеси, чем база, то концентрация дырок в эмиттере больше, чем в базе . Так как напряжение приложено к p - n -переходу в прямом направлении, то в цепи эм иттер-база протекает ток значительной величины даже при небольшом знач ении приложенного напряжения. В базе некоторая часть дырок рекомбиниру ет со свободными электронами, убыль которых пополняется новыми электро нами, поступающими из внешней цепи, образуя в ней ток базы . В базе вследствие диффузии большая часть дырок доходит до коллекторног о перехода и под действием электрического поля источника проникает через p - n -переход в коллектор. В результате в цепи ба за-коллектор возникает ток того же порядка, что и на участке эмиттер-база. Отношение приращ ения коллекторного тока к соответствующей величине приращения эмиттерного тока при постоянном напряжении на коллекторе называется коэ ффициентом передачи тока : (при ) и является одной из важнейших характеристик любого транзистора. Из сказанного следует, что ко эффициент передачи тока всегда меньше единицы и принимает значение пор ядка 0,9-0,99. Принцип действия транзистора n - p - n - типа полностью анало гичен рассмотренному. В транзисторе n - p - n типа под действием напряжения между э миттером и базой эмитируются электроны из области n в область p . Полярность источников и в этом случае должна быть обратной по сравнению с той, которая им ела место при рассмотрении принципа действия транзистора p - n - p типа. Ка к было сказано выше, транзистор может быть использован в качестве усилит еля напряжения, тока или мощности. При этом усиливаемый сигнал подаётся на два электрода транзистора (вход), а усиленный сигнал снимается тоже с д вух электродов (выход). Таким образом, один электрод является общим для вх одной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из электродов являет ся общим, различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (О Э), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). При включении транзистора по схеме ОЭ (рис. 8. а .) напряжение питания прикладывается между эмиттером и коллектором, в цепь которого вкл ючается сопротивление , служащее нагрузкой усилителя. Усиливаемый сигнал прикладываетс я между заземлённым эмиттеров и базой через конденсатор связи , препятствующий проникновению на базу транзистора постоянной со ставляющей усиливаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с эмиттер а и коллектора транзистора. Схема ОЭ позволяет достигать 10-200-кратного уси ления сигнала по напряжению и 20-100-кратного усиления по току (зависит от уси лительных свойств транзистора). Существенным недостатком такого включения транзистора является его малое входное сопротивление (всего 500-1000 Ом ), что значительно затрудняет согласо вание каскадов, собранных по схеме ОЭ. Объясняется это тем, что эмиттерны й переход в этом случае оказывается включённым в прямом направлении, в р езультате чего сопротивление перехода, зависящее от величины приклады ваемого напряжения, очень мало. Выходное же сопротивление схемы ОЭ велик о (2-20 кОм ) и зависит не только от усилительны х свойств транзистора, но и от сопротивления нагрузки . При включении транзистора по схеме ОК (рис. 8. б .) усиливаемый сигнал прикладывается между базой и эмиттером через резистор , выполняющий функции нагрузки транзистора. Именно с него и снимается уси ленный сигнал. Такая схема включения транзистора даёт усиление по напря жению меньше единицы, а по току коэффициент усиления может достигать той же величины, что и при включении по схеме ОЭ. Поскольку транзистор в этом случае не даёт усиления по напряжению, а только как бы повторяет его на вы ходе (эмиттере), транзистор, включаемый по схеме ОК, также называют эмиттерным повторителем . Важным достоинством такой схемы включения транзистора является большая величина его входн ого сопротивления (10-500 кОм ), что хорошо согла суется с высоким выходным сопротивлением схемы ОЭ. Чтобы разобраться в причинах, по которым транзистор, включаемый по схеме ОК, не усиливает напряжения, вно вь обратимся к рисунку 8. б . Резистор , показанный пунктиром (в состав схемы ОК он не входит) представляет собой эквивалент внутреннего сопротивления источника усиливаемого сигнала ( например, микрофона). Через это сопротивление усиленный сигнал с нагрузк и через сопротивление подаётся на базу в противофазе. В результате между эмиттерной и базовой цепями возникает сильная отрицательная обратная связь, сводящая усиле ние каскада по напряжению на нет. При включении транзистора по схем е ОБ (рис. 8. в .) база через конденсатор соединена с эмиттерной цепью, то есть с общим, заземлённым проводом. Усил иваемы сигнал через конденсатор связи подаётся одновременно и на базу и на эмиттер транзистора, а усиленный си гнал снимается с коллектора и заземлённой базы, которая, таким образом, с лужит общим электродом входной и выходной цепей каскада. Схема ОК даёт у силение по току меньше единицы, а по напряжению примерно такое же, как и пр и включении транзистора по схеме ОЭ (10-200 раз). Поскольку входное сопротивле ние схемы ОК очень невелико (30-100 Ом), её обычно используют в генераторах эле ктрических колебаний, в аппаратуре радиоуправления моделями и пр.. Оптимальный режим работы транзистора, включённого в ту и ли иную цепь, во многом определяется его, так называемыми, входными и выхо дными статическими характеристиками. Входной характеристикой транзис тора называется функциональная зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером : . Графически эта зависимость для транзистора p - n - p типа, включённого по схеме ОЭ, показана на рисунке 9. При малых зна чениях между базой и эмиттером ток базы растёт медленно, но по мере возрастания напряжения крутизна кривой увеличивается и характеристика выходит на лин ейный участок. Как видно из рисунка, угол наклона линейных участков хара ктеристики зависит от величины выходного напряжения . Выходная характеристика транзи стора представляет собой функциональную зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированной величине тока базы : . Графически выходные характерис тики для транзистора p - n - p типа, включённого по схеме ОЭ, представлены на рисунке 9. СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРА КТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Снятие ВАХ диода при помо щи вольтметра и амперметра На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющ ая исследовать ВАХ p - n -перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д . Показанное на схеме включение реостатов и позволяет осуществлять плавную регулировку напряжения на элек тродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ К предназначен для изменения полярности питаю щего цепь напряжения. Так как диод представляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует по лное падение напряжения (не только на запирающем слое), то выражение (2), воо бще говоря, следует записывать так: , (3) где – нап ряжение на электродах диода, – падение напряжения на слое полупроводника сопротивлением R . Согласно (2) и (3) при (в прямом направлении) и при больших значениях велич ина , и формулы могут быть переписаны в виде: , (4) то есть с ростом напряжения ток в озрастает экспоненциально. При ещё большем напряжении, ког да падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать: , (5) Дифференцируя выражение (3) по и искл ючая из производной напряжение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линей ной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к постоянной величине: . (6) Если сопротивление запирающе го слоя много больше сопротивления полупроводника, то, пренебрегая вели чиной и логарифмируя выражение (2), получаем линеаризованную ВАХ диода: , (7) которая позволяет экспериментал ьно определить величину коэффициента (ток насыще ния при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3). Схема экспериментальной установки изображена на рису нке 4. Реостаты и предназначены для плавной регулировки напряжения на электрода х диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности на пряжения. Снятие ВАХ рекомендуется начинать с максимальной величины об ратного тока (правое по схеме п оложение ключа К ) в сторону уменьшения . По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимос ть вплоть до величины . В ходе работы при пользовании ключ ом следует помнить о соблюдении полярности измерительных приборов. Снятие ВАХ диода при помощи осциллографа Схема экспериментальной устано вки показана на рисунке 5. Питание цепи осуществляется от ЛАТРа через пон ижающий трансформатор Тр . На электрод ах диода действует переменное напряжение, которое подаётся на горизонт ально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО . На вертикально отклоняющие пластины осцилл ографа подаётся напряжение с резистора R . Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, т о вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет из мерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах д иода (см. лабораторную работу «Изучение электронного осциллографа»). Снятие ВАХ диода при помощи операционного усилителя При измерении силы тока посредством амперметра послед ний вносит в цепь некоторое дополнительное сопротивление (внутреннее с опротивление амперметра), что приводит к изменению режима работы цепи и, следовательно, к возникновению систематической погрешности измерений . Избежать этого можно, используя при измерении силы тока операционный у силитель с бесконечно малым внутренним сопротивлением. Операционный усилитель представ ляет собой усилитель постоянного тока с большим (более ) коэффициентам усиления, который схемах с обратной связью может выполня ть математические операции (сложение, умножение, интегрирование и пр.) на д напряжением, подаваемым на его вход. На рисунке 6 показан традиционный с пособ включения операционного усилителя DA для измерения тока. Поскольку потенциалы точек a и b практически одинаковы, то падения напряжения на участке ab не возникает и режим работы цепи не наруш ается. Измеряемый ток равен току I через резистор R обратной связи, что позволяет, зная вел ичину этого сопротивления и измерив напряжение на выходе операционног о усилителя, можно определить ток в изучаемой цепи: . Схема экспериментальной устано вки по изучению ВАХ p - n -перехода показана на рисунке 7. В качестве сопротивления обратной связи здесь используется сопротивление p - n -перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод VD . При снятии прямой ветви ВАХ в цепь пр и помощи ключа К включается резистор , а при снятии обратной ветви – резистор ( и полярность диод а меняется на обратную). Поскольку потенциалы точек a и b равны нулю, то напряжение U н а диоде VD равно напряжению на выхо де операционного усилителя. Ток через диод равен току через последовате льно включённый резистор или , так как входная цепь операционного усилителя тока не потребляет. Соглас но сказанному выше, ток I через дио д VD можно определить, измерив напр яжение U , подаваемое на резисторы или с потенциометра R по формуле: , где при снятии прямой ветви ВАХ и - при снятии обратной ветви. Снятие ВАХ стабилитрона Сн ятие ВАХ стабилитрона может быть осуществлено аналогично описанному д ля диода с учётом иной полярности включения и крутизной ветвей характер истики. Однако на практике обычно оказывается достаточным точно знать в еличину напряжения стабилизации стабилитрона . О стальные его предельные параметры (минимальный и максимальный токи ста билизации, максимально допустимые прямое и о братное напряжения) берутся из справочников. Определить величину напря жения стабилизации конкретного стабилитрона можно при помощи схемы, по казанной на рисунке …. Работает она аналогично рассмотренной выше. Плавн о изменяя напряжение на электродах стабилитрона, следят за показаниями вольтметра, которые сначала возрастают, а затем остаются неизменными. Эт о напряжение и есть напряжение стабилизации. Снятие статических характерист ик транзистора Принципиальная схема простейше го устройства для снятия входных и выходных характеристик транзистора показана на рисунке …. Резисторы и предназначены для плавной регулировки напряжения на базе транзистора, а резисторы и обеспечивают возможность грубой и точной регулировки напряжения между коллектором и эмиттером. Порядок работы со схемой следующий: 1. При разомкнутой входной цепи устанавливают на пряжение на коллекторе = -8 В и измеряют начальный обратный ток колл ектора . Устанавливают значен ие = 0 В и, изменяя напряжение между базой и эмит тером от нуля до 250 мВ с шагом 50 мВ , измеряют ток базы . Повторяют измерения при напряжениях = -5 В и = -10 В . По полученным данным строят три входные статические хара ктеристики транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Результаты измерен ий удобно заносить в следующую таблицу: № = 0 В = -5 В = -10 В , мВ , мкА , мВ , мкА , мВ , мкА 1 2 3 … 2. Устанавливают ток баз ы = 50 мкА и , изменяя напряжение на колле кторе от нуля до – 12 В с шагом 1 В , измеряют ток коллектора. Повторяют измерения при токах баз ы = 100 мкА и = 150 мкА . Результаты измерений заносят в нижеприводимую таблицу, п о которой строят три выходные характеристики транзистора . № = 50 мкА = 100 мкА = 150 мкА , В , мА , В , мА , В , мА 1 2 3 … ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТОКА Способность диода проводить электрический ток только в одном направле нии может быть использована при выпрямлении переменного тока. Наибольш ее распространение на практике получили две схемы выпрямления перемен ного тока: однополупериодная и двухполупериодная (или мостовая). На рисунке 6 а показана схема однополупериодного выпрямителя, который пред ставляет собой всего один диод, включённый последовательно с нагрузкой . В течение второй половины периода на аноде диода действует положительны й полупериод напряжения, а на катоде – отрицательный. При этом диод откр ывается и через него, а значит и через нагрузку , п ротекает ток. В течение второй половины периода, когда на аноде диода дей ствует отрицательный полупериод напряжения, а на катоде – положительн ый, диод закрыт и ток через нагрузку практически не течёт (при этом через н агрузку протекает обратный ток диода, значительно меньший прямого). Таки м образом диод, отсекая отрицательные полупериоды переменного тока, про пускает через нагрузку пульсирующий ток одного направления (в течение положительных полупериодов переменн ого напряжения). На рисунке 7 показаны гра фики временной зависимости переменного тока и выпрямленного (пульсиру ющего) тока, протекающего через нагрузку. Однополупериодный выпрямител ь обеспечивает частоту пульсаций тока, равной частоте переменного тока. Мо стовая схема выпрямления тока представляет собой четыре диода, соединё нных по схеме, показанной на рисунке 6 б . Принци п действия мостового выпрямителя состоит в следующем. В течение первой п оловины периода переменного напряжения открытыми оказываются только д иоды Д1 и Д3. При этом ток протекает через диод Д1, нагрузку и диод Д3 (сплошные стрелки на рисунке). В течение второй половины периода открытыми оказыва ются диоды Д2 и Д4, а диоды Д1 и Д3 – закрыты. Теперь ток протекает через диод Д 2, нагрузку и диод Д4 (пунктирные стрелки на рисунке). В результате через наг рузку протекает ток в течение обоих полупериодов переменного напряжен ия. При этом направление тока не меняется. Следовательно через нагрузку течёт постоянный ток, который так же является пульсирующим, но частота п ульсаций в этом случае вдвое больше частоты переменного тока. На рисунке 7 графически показан результат работы мостового выпрямителя в сравнени и с работой однополупериодного выпрямителя. Напряжение на выходе любого из рассмотренных выпрямителей изменяется со временем аналогичным образом (в соответствии с законом Ома). Но таким (п ульсирующим) напряжением можно питать далеко не любую нагрузки. Наприме р, лампочку накаливания можно, а радиоприёмник – нет, т. к. в этом случае в д инамике будет прослушиваться низкочастотный гул частотой 50 Гц. Сгладить пульсации выпрямленного напряжения можно при помощи сглаживающего фи льтра, роль которого обычно выполняет электролитический конденсатор д остаточно большой ёмкости (порядка 1000 мкФ). Для этого необходимо параллельно нагрузке подключить электролитическ ий конденсатор как показано на рисунке 8. Когда напряжение на нагрузке во зрастает (первая четверть полупериода), конденсатор заряжается, а когда напряжение начинает убывать, конденсатор разряжается на нагрузку по эк споненциальному закону, тем самым, поддерживая в нагрузке ток. Чем больш е ёмкость конденсатора, тем больше его постоянная времени и тем, следова тельно, медленнее конденсатор разряжается, что приводит к уменьшению гл убины пульсаций выпрямленного тока. При достаточно большой ёмкости кон денсатора пульсации практически исчезают. В этом случае на выходе выпря мителя действует сглаженное напряжение, равное амплитуде пульсирующег о напряжения. При измерении пульсирующего напряжения следует помнить, ч то вольтметр фиксирует действующее значение напряжения , к оторое связано с амплитудным напряжением с оотношением: . По этому, как следует из выше сказанного, показания вольтметра при измерени и сглаженного напряжения окажутся в больше показаний прибора при измерении соответствующего пульси рующего напряжения. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА Су ть эксперимента по изучению стабилизирующих свойств полупроводниково го стабилитрона состоит в измерении напряжения, действующего на электр одах стабилитрона при принудительном изменении величины питающего схе му напряжения. Схема соответствующей установки показана на рисунке 9. Ис следуемый стабилитрон VD 2 и резисторы и з десь выполняют те же функции, что и в схеме, показанной на рисунке 5. Полупр оводниковый диод VD 1 явл яется разделительным элементом между источником питающего (нестабилиз ированного, измеряемого вольтметром V 1) напряжения и напряжением на нагрузке (стабилизированного, измеряе мого вольтметром V 2). Реостат R предназначен для плавной регулировки питаю щего напряжения. Выполнение задания сводится к снятию зависимости , где - в еличина питающего схему напряжения, - в еличина стабилизированного напряжения (на электродах стабилитрона). Результаты измерений целесообр азно представлять графически как зависимость относительного изменени я напряжения на электрода х стабилитрона от напряжения . В еличина , очевидно, оп ределяется выражением: .