Лекція 16. Тема 10
ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ
10.1 Електронно-дірковий перехід
Хімічним елементом називається з'єднання атомів з однаковим зарядом ядра. У природі з усіх хімічних елементів тільки гази: гелій, неон та інші знаходяться в одноатомному стані. Всі інші елементи тяжіють з'єднатися один з одним у певному порядку, утворюючи молекули. З'єднання у певному порядку атомів і молекул називається речовиною. Тверда речовина має свою структуру і складається з атомів, що мають у своєму складі ядра й електрони, які знаходяться на визначених енергетичних рівнях (заповнена зона, заборонена зона, валентна зона, зона провідності).
У речовині, яку називають напівпровідником, валентна зона і зона провідності розділені забороненою зоною, у провіднику такий розподіл відсутній, а в діелектрику є, але ширина забороненої зони набагато більше, ніж у напівпровідника. Розрізняють власні напівпровідники та напівпровідники з домішкою. Власними напівпровідниками є хімічні елементи IV групи періодичної таблиці Менделєєва: кремній (Si), германій (Ge), що мають 4 валентних електрони, які можуть вступити в хімічний зв'язок з електронами інших атомів. При незначній температурі один або декілька з цих валентних електронів можуть переходити в зону провідності на відміну від діелектрика.
Властивість атомів одного хімічного елемента приєднувати певну кількість атомів інших хімічних елементів називається валентністю. З'єднання атомів хімічних елементів у молекулу називається хімічним зв'язком. Він може виникнути, наприклад, при утворенні електронних пар: двох електронів, які належать одночасно двом атомам (тобто обертаються навколо ядер двох атомів); такий хімічний зв'язок називається ковалентним зв'язком. Якщо ковалентний зв'язок утворюється в результаті переходу електронної пари від одного хімічного елемента – донора (постачальника електронів) до іншого хімічному елементу – акцептору (користувачу електронів), то такий хімічний зв'язок називається донорно-акцепторним зв'язком.
Напівпровідник з домішкою утворюється у такий спосіб. Якщо в хімічний елемент IV групи внести домішку (хімічний елемент V групи), то при кімнатній температурі атоми домішки віддають 5-й електрон, який не бере участі у створенні хімічного зв'язку. В результаті атоми домішки, які розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, а в отриманій речовині з'являються вільні електрони. Такі речовини, у яких носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу (n – «negative» – негативний), а домішки, завдяки яким виникають вільні електрони, називають донорними.
Якщо в хімічний елемент IV групи внести як домішку хімічний елемент III групи, то при кімнатній температурі атоми домішки захоплюють електрони у деяких атомів хімічного елемента IV групи для утворення хімічного зв'язку. В результаті ці атоми, розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, навколо яких знаходяться нейтральні атоми. Нейтральні атоми, які знаходяться біля іона, віддають свої електрони позитивному іону, роблячи його нейтральним; при цьому вони самі стають позитивними іонами. Отже, місце позитивного іона увесь час змінюється, начебто переміщується позитивний заряд, який дорівнює за модулем заряду електрона. Відсутність електрона в атомі напівпровідника називають діркою, яка має позитивний заряд, рівний за модулем заряду електрона. Такі речовини, у яких носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу (р – «positive» – позитивний), а домішки, завдяки яким виникають дірки, називають акцепторними.
Якщо з'єднати напівпровідник р-типу з напівпровідником n-типу, то утвориться напівпровідник р-n-типу (який має р-шар та n-шар) у місці їх з'єднання створиться електронно-дірковий перехід (р-n-перехід), у якому електрони n-шару заповнюють дірки р-шару. Тому в місці з'єднання утвориться шар речовини, що не має вільних зарядів (тобто з великим опором), який називають замикаючим шаром. Товщина замикаючого шару складає кілька мікрометрів, його розширенню перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішок. Отже, у нейтральному стані, коли потенціали на кінцях напівпровідника дорівнюють нулю, упорядкований і спрямований рух зарядів у ньому відсутній, тобто сила струму дорівнює нулю (рис.10.1).
Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти позитивний потенціал (+j), а до n-шару – негативний потенціал (–j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки. Нестача електронів у n-шарі та дірок у р-шарі компенсується за рахунок джерела електрорушійної сили: електрони від джерела надходять у n-шар, а з р-шару електрони надходять до джерела, утворюючи в цьому шарі дірки. Цей упорядкований і спрямований рух вільних зарядів у напівпровіднику (прямій електричний струм) відбувається доти, поки до нього прикладена пряма напруга від джерела електрорушійної сили: «+» – до р-шару, а «–» – до n-шару (рис.10.2).
Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти негативний потенціал (–j), а до n-шару – позитивний потенціал (+j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть надходити до джерела, з якого будуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки (тобто відбудеться розширення замикаючого шару). Цей процес припиниться, коли товщина замикаючого шару стане пропорційною прикладеній напрузі джерела. У напівпровіднику буде відбуватися незначний упорядкований і спрямований рух зарядів (зворотний електричний струм) доти, поки до нього прикладена зворотна напруга від джерела електрорушійної сили: «–» – до р-шару, а «+» – до n-шару (рис.10.3).
Отже, речовини, електропровідність яких знаходиться між провідниками та діелектриками, називають напівпровідниками, характерними властивостями яких є:
– напівпровідник при прямій напрузі проводить електричний струм в одному напряму (є провідником), а при зворотній напрузі практично не проводить електричний струм (є діелектриком);
– при збільшенні температури питомий опір напівпровідників знижується (провідників, навпаки, зростає).
Запитання для самоконтролю
1. Які речовини називають напівпровідниками?
2. Якими властивостями володіють напівпровідники?
3. Як утворюються напівпровідники?
4. Що є носіями зарядів у напівпровідниках n-типу?
5. Як утворюються напівпровідники n-типу?
6. Що є носіями зарядів у напівпровідниках р-типу?
7. Як утворюються напівпровідники р-типу?
8. Як утворюються напівпровідники р-n-типу?
9. Що розуміється під р-n-переходом?
10. Що розуміється під замикаючим шаром?
11. Що розуміється під прямим струмом і прямою напругою напівпровідника?
12. Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при прямій напрузі.
13. Що розуміється під зворотним струмом і зворотною напругою напівпровідника?
14. Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при зворотній напрузі.
10.2 Напівпровідниковий діод
Напівпровідниковий діод являє собою електронний пристрій з одним електронно-дірковим переходом (р-n-переходом) і двома виводами.
В залежності від конструктивного виконання р-n-переходу розрізняють точкові діоди, які мають незначну потужність, та площинні діоди, які мають значну потужність. На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення напівпровідникового діода наступне:
Залежність сили струму в діоді від прикладеної до нього напруги, вольт-амперна характеристика (ВАХ), показана на рис.10.4. Вона ж є узагальненою ВАХ р-n-переходу. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода має три характерних ділянки:
1 – робота при прямій напрузі (протікає прямий струм: р-n-перехід відкритий, і сила струму обмежена тільки опором матеріалу напівпровідника);
2 – робота при зворотній напрузі (протікає зворотний струм: р-n-перехід закритий, і струм незначної сили проходить за рахунок незначної кількості не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі);
3 – робота при напрузі пробою (зворотний струм різко збільшується: відбувається різке, («лавиноподібне») збільшення не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі) при збільшенні зворотної напруги).
Для оцінки та вибору напівпровідникових діодів указують наступні технічні параметри:
– прямий струм: максимально припустимий (середній за період) струм, сила якого визначається нагріванням діода;
– пряма напруга: пряма імпульсна максимальна напруга для припустимого імпульсу прямого струму;
– потужність, що розсіюється діодом: максимальна потужність, яку здатний розсіювати діод;
– зворотна напруга: зворотна імпульсна максимальна напруга, яка дорівнює 70 % від напруги пробою;
– зворотний струм: сила струму, який протікає при зворотній напрузі.
Напівпровідникові діоди випускають кремнієві (на основі кремнію) і германієві (на основі германію): кремнієві діоди здатні працювати при температурі від 120°С до 150°С при прямій напрузі близько 1 В, германієві діоди здатні працювати при температурі від 55°С до 85°С при прямій напрузі близько 0,3 В. Для одержання більшої зворотної напруги діоди з'єднують послідовно, а для одержання більшого прямого струму діоди з'єднують паралельно.
Якщо номінальний режим роботи діода знаходиться на зворотній частині його вольт-амперної характеристики (рис.10.4, ділянка 2), то діод називають стабілітроном.
На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення стабілітрона наступне:
Стабілітрон призначений для стабілізації напруги, тобто підтримки напруги на одному рівні. Стабілітрон включають паралельно навантаженню (рис.10.5). При збільшенні вхідної напруги зростає струм у колі R1 – VD, а напруга на навантаженні Uнав (яка дорівнює напрузі стабілізації) практично не змінюється за рахунок спадання надлишкової напруги на резисторі R1.
Запитання для самоконтролю
1. Який електронний пристрій називається напівпровідниковим діодом?
2. Як напівпровідниковий діод позначається на принциповій електричній схемі?
3. Опишіть роботу напівпровідникового діода, використовуючи його вольт-амперну характеристику.
4. Перелічіть технічні параметри напівпровідникового діода.
5. Як вибрати напівпровідниковий діод?
6. Який електронний пристрій називається стабілітроном?
7. Як стабілітрон позначається на принциповій електричній схемі?
8. Приведіть принципову електричну схему стабілізації напруги з розшифровкою літерних позначень.
9. Опишіть роботу приведеної схеми стабілізації напруги.
10.3 Випрямлення перемінного струму
Випрямлення змінного струму в постійний струм необхідно для живлення постійних машин, електронних пристроїв та інших.
Розглянемо однопівперіодну схему випрямлення (рис.10.6). Вона складається з трансформатора, до вторинної обмотки якого послідовно підключаються діод і споживач електроенергії. Випрямлення струму за цією схемою здійснюється в такий спосіб: у першу половину періоду (у 1-й півперіод) електричний струм проходить через діод, у другу половину періоду (у 2-й півперіод) електричний струм фактично не проходить через діод, далі процес повторюється. Отже, протягом 1-го півперіоду напруга на навантаженні є, а протягом 2-го півперіоду вона відсутня. Струм, який протікає в колі навантаження, є пульсуючим, тобто змінюється його сила, але не змінюється його напрям (рис.10.7).
$IMAGE8$
Недоліком показаної вище схеми випрямлення є значна пульсація випрямленого струму, що приводить до нестабільного постачання навантаження електроенергією.
Тому на практиці в основному використовують мостову двопівперіодну схему випрямлення змінного струму (рис.10.8). Вона складається з трансформатора, до вторинної обмотки якого підключаються діодний міст (з'єднання діодів) і споживач електроенергії. Випрямлення струму за цією схемою здійснюється в такий спосіб: у 1-у половину періоду (у 1-й півперіод) електричний струм проходить через діоди VD1 і VD2 (шлях струму показаний не заштрихованими стрілками), у 2-у половину періоду (у 2-й півперіод) електричний струм проходить через діоди VD3 і VD4 (шлях струму показаний заштрихованими стрілками), далі процес повторюється. Отже, напруга на навантаженні є і протягом 1-го півперіоду, і протягом 2-го півперіоду. Струм, який протікає в колі навантаження, пульсуючий, тобто змінюється його сила, але не змінюється його напрям (рис.10.9). Для зниження пульсації випрямленого струму використовують фільтри, що згладжують, на базі конденсаторів.
$IMAGE9$
Аналогіч