Напівпровідники. Транзистор
Напівпровідник – це речовина, яка займає проміжне місце між провідниками, що мають високу електропровідність (метали, електроліти) та діелектриками які майже не проводять електричний струм(фарфор, гума та інші).
Електричні властивості напівпровідників сильно відрізняються від провідників та ізоляторів.
Електропровідність сильно залежить від температури, освітленості, наявності та інтенсивності електричного поля, кількості домішок.
Види провідності
У напівпровідників розрізняють два види провідності: електронну та діркову.
Електронна провідність здійснюється вільними електронами, а діркова – переміщенням зв’язків, що залишились без електрона.
Електронна провідність
Провідність, що зумовлена рухом електронів, називається електронною і позначається буквою n (n–провідність).
ї решітки напівпровідника, подібно вільним електронам в металі. Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.
Провідність, що зумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p (p–провідність).
В наслідок руйнування ковалентних зв’язків, на місці кожного розірваного зв’язку відразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона, його називають діркою. Оскільки дірка в кристалі переміщюєтся як і вільний носій електричного заряду то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнійнє електричне поле, в напівпровіднику виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів додається струм пов’язаний з переміщенням дірок.
Власна провідність напівпровідників
Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності (в розумінні рівної кількості носіїв одного та іншого типів).
Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають – власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів.
В чистому кристалі германія і в кристалах інших напівпровідникових елементів при низьких температурах вільних електронів немає і такі кристали в таких умовах є хорошими діелектриками.
Провідність хімічно чистого напівпровідника стає можлива в випадках коли ковалентні зв’язки в кристалах розриваються. Наприклад, нагрівання до відносно невисоких температур призводить до розриву ковалентних зв’язків і появі вільних електронів і виникнення власної електронної провідності чистого напівпровідника (провідність n-типу.).
Енергія яка має бути затрачена для створення в кристалах чистих напівпровідників електропровідності називається енергією активації власної провідності.
З підвищенням температури збільшується число розривів ковалентних зв’язків і збільшується кількість вільних електронів в чистих напівпровідниках.
Це означає що питома електропровідність чистих напівпровідників з підвищенням температури збільшується, а питомий опір зменшується . Цим напівпровідники відносні відрізняються від металів, у яких питомий опір збільшується при нагріванні.
Окрім нагрівання, розрив ковалентних зв’язків і виникнення власної провідності може бути викликане освітлення (фотопровідність) або дією сильних електричних полів.
Коли кристалічний чистий напівпровідник отримує енергію яка необхідна для розриву ковалентних зв’язків і електрон уходить з свого місця, електрична нейтральність кристала в цьому місці порушується. В місці звідки пішов електрон виникає надлишковий позитивний заряд – з’являється позитивна дірка, яка поводиться як заряд, що рівний по абсолютному значенню заряду електрона, но позитивний по знаку. На звільнене від електрона місце – дірку – може переміститись сусідній електрон, а це рівносильно тому, що перемістилась позитивна дірка: вона з’являється в новому місці, звідки пішов електрон.
В зовнішньому електричному полі електрони переміщуються в сторону що протилежна направленню напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються в напрямку напруженості електричного поля, тобто в сторону куди рухався б позитивний заряд під дією електричного поля. Процес переміщення електронів і дірок в зовнішньому електричному полі відбувається по всьому кристалу напівпровідника. Електропровідність чистого напівпровідника зумовлена упорядкованим переміщенням дірок, називається власною дірковою провідністю (провідність p-типу).
Загальна питома провідність напівпровідника складається з провідності n- і p-типів.
Домішкова провідність напівпровідників
Транзистор
Транзистор – це електронний компонент, який керує великим струмом за допомогою малого. Транзистор ще можна назвати напівпровідникових тріодом. Ця друга назва прийшла від його «попередника» – електровакуумного тріода, одного з різновидів так званих «ламп».
З чого складається транзистор?
Видима частина транзистора складається з корпусу і трьох «ніжок»-виводів (проте існують і різновиди транзисторів, у яких кількість виводів більше трьох). Корпус транзистора виготовляють з кераміки, металевих сплавів або пластмаси. Заглядаючи наперед, відзначимо, що існує два види транзисторів – біполярний та польовий.
Усередині корпусу біполярного транзистора розміщується три шари напівпровідника, два з яких розташовані по краях і мають однаковий тип провідності (p або n), це – колектор і емітер. Третій шар розташований між першими двома і відрізняється типом провідності від своїх сусідів. Це – база.
Розташування напівпровідників визначає тип транзистора: p-n-p або n-p-n. На кожен з напівпровідників нанесено металевий шар. З його допомогою та дротових зв’язків, напівпровідники з’єднані з виводами транзистора. Однак не варто забувати, що розташування виводів транзистора може змінюватися в залежності від моделі транзистора.
На зображенні – біполярний транзистор n-p-n типу.
Польовий транзистор також має в своєму арсеналі напівпровідники, але їх розташування, кількість і принцип роботи відрізняється від біполярних транзисторів і залежить від виду польового транзистора.
Де використовуються транзистори?
Транзистори використовуються в більшості електронних схем. Це може бути як простий генератор частоти, так і материнська плата комп’ютера. Заглянемо під кришку підсилювача – тут теж транзистори. Вони акуратно розміщені на схемі радіоприймача, щоб перетворити радіосигнал в аналоговий. Якщо потрібно зібрати електронний стабілізатор або ключ – теж не обійдетеся без транзисторів.
Існує ряд надпотужних транзисторів. Вони можуть працювати з навантаженням до 1.5 кВт і застосовують їх в промисловій сфері. Робоча температура таких транзисторів може досягати 200-300 градусів Цельсія. Для їх охолодження використовують радіатори тепловідведення.
Група транзисторів, в сукупності з додатковими елементами може здійснювати ряд логічних операцій і являє собою свого роду процесор. Власне, процесор на основі напівпровідника і є групою транзисторів. Вони укладені в загальний корпус і пов’язані там між собою аналогічно розташуванню на монтажній платі. У потужних процесорах, завдяки мініатюрності кристалів напівпровідника, може бути укладено до декількох десятків мільйонів транзисторів.
Принцип роботи транзистора
У біполярних транзисторах керування струмом колектора відбувається шляхом зміни керуючого струму бази. Струм, яким потрібно керувати, спрямований по ланцюгу «емітер-колектор». Однак, в стані спокою транзистора цей струм не може проходити між ними. Це викликано опором емітерного переходу, який виникає в результаті взаємодії шарів напівпровідника. Але варто подати на базу транзистора незначний струм, і опір між емітером і колектором впаде, тим самим дасть можливість проходити струму через емітер і колектор, посилюючи вихідний сигнал. Змінюючи струм бази, можна змінювати струм на виході транзистора.
У польових транзисторах таке управління здійснюється завдяки створенню поперечного електричного поля. Воно створюється напругою, прикладеною до затвору відносно витоку. Це значно зменшує енергоспоживання транзистора, так як опір затвору великий, і для створення поля не потрібно постійно підтримувати керуючий струм. Якби не польовий транзистор, ми б заміняли батарейки в пульті від телевізора в рази частіше, ніж зазвичай.
Таким чином, транзистори можна порівняти з водопровідних краном, де подача і злив води – це емітер (або витік) і колектор (або стік) транзистора, ручка вентиля – це його база (або затвор).
Комментариев нет:
Отправить комментарий