Контрольная работа по "Физике"

1. Полупроводниковый  p-n переход и его свойства.

К полупроводниковым  веществам относятся вещества, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление ρ больше, чем проводники (для металлов

), но меньше, чем  непроводники (для  диэлектриков

).

Электронно-дырочная проводимость обусловлена структурой кристаллической решетки некоторых веществ, например, кремния (Si), германия (Ge) - элементов четвертой группы периодической системы химических элементов им. Д.И. Менделеева.

Кристаллическая решетка атомов Si включает электроны, образующие валентные связи. Если по каким-либо причинам из решетки будет "выбит" электрон, то на его месте образуется положительно заряженная "дырка". Такая дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Электроны и дырки являются подвижными носителями зарядов, которые под действием разности потенциалов создают ток в полупроводнике; при этом электроны будут двигаться к положительному электроду (аноду), а дырки - к отрицательному (катоду).

Если в кристаллическую  решетку Si ввести примесные атомы, то можно изменить соотношение между свободными электронами и дырками в кристалле. Например, если ввести в решетку Si пятивалентный атом фосфора (Р), то четыре его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон может легко отрываться и становиться свободным. При этом атом фосфора превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам, поэтому проводимость полупроводника делается преимущественно электронной (основные подвижные носители тока – электроны) или п-типа.

Если в решетку  Si ввести трехвалентный атом бора (В), то для образования устойчивой оболочки из восьми электронов потребуется дополнительный электрон, который может быть взят от соседнего атома кремния. При этом на месте изъятого электрона образуется дырка, а атом бора превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом.

Дырки, образованные примесными атомами, добавляются к  собственным дыркам, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной (основные подвижные носители тока – дырки) или р-типа.

При соединении полупроводников р- и n- типа идеальной прокладкой возникает пограничный слой или р-п-переход, который играет основную роль в полупроводниковых приборах (рис. 1).

Рис. 1. Пространственное распределение зарядов в р-п переходе

В пограничной  области часть дырок (+) из р-слоя перейдёт в n-слой, оставляя в p-слое неподвижные отрицательные ионы (-) примеси, а часть электронов (-) из n-слоя перейдет в p-слой, оставляя в n-слое неподвижные положительные (+) ионы. Таким образом, в пограничном слое образуется "обеднённый" электронами и дыркам запирающий слой, и возникает разность потенциалов между неподвижными примесными ионами (U_з) – запирающее напряжение. Возникающее между этими слоями электрическое поле – "потенциальный барьер" – препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу раздела и ток через р-п-переход прекращается.

Если ЭДС  Е_в приложена минусом к р-слою, а плюсом – к n-слою (обратное включение), то высота потенциального барьера увеличивается (результирующее напряжение, U_pn= U_з + U_в), и ток через р-п переход не идёт, где U_в – падение напряжения на р-п переходе от внешнего источника (Е_в). Ток в полупроводнике

При увеличении U_pn прямой ток I_пр уменьшается до нуля, а обратный ток I_обр увеличивается до тока насыщения. Таким образом, I = I_обр.

Если ЭДС  Е_в приложена плюсом к р-слою, а минусом - к n-слою (прямое включение), высота потенциального барьера уменьшается: . Ток в полупроводнике: , где I_пр – прямой ток, образованный основными носителями заряда (дырки); I_обр – обратный ток, образованный неосновными носителями зарядов (электроны).

Через р-п переход потечет ток после преодоления потенциального барьера (когда U_з < U_в). В идеальном р-п переходе электрический ток основных носителей может быть только одного направления (рис. 1.1). При уменьшении напряжения на р-п переходе (U_pn) обратный ток (I_обр) уменьшается до нуля. Следовательно, при прямом включении ток образован основными носителями зарядов, т.е. I=I_пр.

На базе полупроводников  р- и n-типа разработано большое разнообразие полупроводниковых приборов, представляющих собой комбинацию слоев с различной проводимостью. К ним относятся: диод – полупроводниковый прибор состоящий из двух слоев с р- и n- проводимостью и с одним р-п переходом, триод - трехслойный с двумя р-п переходами, тиристор - четырехслойный с тремя р-п переходами и т.д.

2. Полупроводниковые  диоды, их свойства  и область применения.

Полупроводниковый диод – прибор с одним р-п переходом, расположенный на границе раздела двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной n и дырочной р), и имеющий два вывода, которые называются анодом А и катодом К (рис. 2).

Рис. 2. Условное обозначение (а) и вольт-амперная характеристика (б) диода общего назначения

Диоды используются в электрических схемах для формирования тока одного направления (в схемах ограничения, выпрямления и логического преобразования электрического сигнала).

На рис. 2 изображены условное обозначение и вольт-амперная характеристика диода. Вольт-амперная характеристика диода – это зависимость тока через диод I_Д от напряжения между анодом (А) и катодом (К) диода U_ak (кривая 1).

Характерные точки  на графике: U_n – начало резкого возрастания тока после преодоления потенциала р-п перехода (рис. 1). Для германиевого (Ge) диода U_n составляет 0,2-0,4 В, а для кремниевого (Si) диода – 0,4-0,8 В; I_пр – средний прямой ток через диод; U_np – падение напряжения на диоде при I_пр; U_обр – максимально допустимое обратное напряжение, при превышении которого происходит разрушение ("пробой") диода; I_обр – обратный ток через диод при U_обр.

Сопротивление диода R_д на участке U >U_n составляет менее 0,8-0,1 Ом, а на участке от 0 до U_обр достигает 10⁵-10⁶ Ом и более.

Состояние диода  зависит от знака приложенного напряжения: на участке от 0 до + U_np вольт-амперной характеристики диод "открыт"; на участке от 0 до – U_обр диод "закрыт" для тока в направлении от анода к катоду.

При анализе  электрических цепей в ряде случаев  достаточно знать "открыт" или "закрыт" диод для тока в ветви электрической цепи, содержащей данный диод. Состояние диода определяется напряжением на аноде U_a и катоде U_к диода:

а) если U_a > U_к, то диод "открыт", сопротивление мало. 
б) если U_a < U_к, то диод "закрыт", сопротивление велико. Для диодов R_o6p >> R_np.

Часто при анализе  цепей принимают сопротивление  ,. В этом случае вольт-амперная характеристика «идеального диода» представлена на рис. 2 пунктиром (ломаная линия 2).

Основными характеристиками полупроводниковых диодов являются: номинальный прямой ток (среднее значение тока) I_н; максимально допустимый прямой ток I_т; номинальное падение напряжения ΔU_н на диоде, соответствующее номинальному прямому току вентиля; допустимое обратное напряжение U_обр.н; обратный ток вентиля I_о6р, при U_обр.m и температуре +20 С.

3. Принцип действия  транзистора.

Транзистор - трехслойный (р-п-р или п-р-п) полупроводниковый прибор с двумя р-п переходами, имеющий три вывода. Транзистор в электрических цепях постоянного тока является управляемым нелинейным элементом с управлением током одного направления.

Среди большого разнообразия видов транзисторов наибольшее распространение получили биполярные и полевые транзисторы, которые различаются способом управления током, протекающим через транзистор.

Принцип работы биполярного  транзистора.

Биполярные  транзисторы представляют собой тонкую пластинку слаболегированного германия или кремния с электронной или дырочной проводимостью, на которой методом вплавления или диффузии получены два электронно-дырочных перехода.

Биполярные транзисторы (или просто транзисторы) имеют три  вывода: коллектор К, базу Б и эмиттер Э (рис 3). В зависимости от комбинации р-п перехода транзисторы делятся на два типа: р-п-р и п-р-п.

Рис. 3. Схема транзисторов типа р-п-р с прямой (а) и п-р-п с обратной (б) проводимостями и их условные обозначения для р-п-р («) и для п-р-п (г): Э - эмиттер; Б - база; К - коллектор; рп_t - открытый р-п переход; рп₂ - закрытый р-п переход.

При соединении полупроводников с различным  типом проводимости на границе раздела  образуется область, обеднённая носителями тока {запирающий слой). Наличие трёх полупроводников в плоском триоде приводит к образованию двух запирающих слоев по обе стороны среднего полупроводника (рт и pni). Таким образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электронно-дырочных перехода.

Устройство германиевого биполярного транзистора типа р-п-р показано на рис. 3,а. В кристалл германия с электронной проводимостью с двух сторон вплавлены кусочки индия, образующие области кристалла с дырочной проводимостью. Кристалл с электронной проводимостью имеет неинжектирующий вывод и называется базой транзистора. Область кристалла с дырочной проводимостью с п-р переходом малой площади называется эмиттером, а переход соответственно называется эмиттерным п-р переходом. Область кристалла с дырочной проводимостью и п-р переходом большой площади называется коллектором, а переход называется коллекторным. Условное обозначение транзистора типа р-п-р в электронных схемах показано на рис. 3, в.

Биполярный транзистор типа п-р-п (рис. 3,а) отличается от транзистора типа р-п-р тем, что основной кристалл, образующий базу транзистора, имеет дырочную проводимость, а благодаря вплавлению или диффузии создаются у поверхности области кристалла, имеющие электронную проводимость. Условное обозначение транзистора типа п-р-п показано на рис. 3, г.

Обе разновидности  транзистора отличаются только типом  основных носителей заряда и полярностью  внешних напряжений. Принцип действия у них один и тот же. Поясним его на примере транзистора типа р-п-р, включение которого в цепь источников питания показано на рис. 4.

Рис. 4. Принцип действия транзистора типа р-п-р.

Для того чтобы полупроводниковый триод усиливал входной сигнал, его надо соединить   с   двумя внешними источниками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включен в прямом направлении, а второй - в обратном (рис. 4.).

Переход, включаемый в прямом направлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в обратном направлении - коллекторным.

Источник ЭДС  Е_к выходной цепи транзистора включен между коллектором и базой в непроводящем направлении, поэтому коллекторный п-р переход закрыт и через него проходит только небольшой тепловой ток I_КБО, обусловленный дрейфом через коллекторный переход неосновных носителей зарядов: электронов (-) из коллектора в базу и дырок (+) из базы в коллектор.

Если во входную  цепь транзистора включить в прямом направлении источник Е_э, то эмиттерный п-р переход откроется и через него в обоих направлениях пойдут основные носители зарядов: электроны из базы в эмиттер и дырки из эмиттера в базу через открытый рп₁ переход.