Электронные элементы

При изготовлении электронных элементов, например, диодов, транзисторов, применяются полупроводниковые материалы. При температурах, близких к абсолютному нулю (- 273 °C ≙ 0 K), эти материалы ведут себя как диэлектрики, т.е. имеют большое удельное электрическое сопротивление.

По своему удельному электрическому сопротивлению при комнатной температуре полупроводниковые материалы располагаются между диэлектриками и металлическими проводниками (рис. 1).

Рис. 1. Удельное электрическое сопротивление материалов при комнатной температуре

При повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, а их проводимость увеличивается.

Полупроводниковые материалы сильно зависимы от температуры. Эта их особенность используется, например, в термисторах. То, что при повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, свидетельствует о том, что они обладают NTC-характеристикой (имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (NTC)). Поэтому при повышении температуры и одном и том же напряжении увеличивается интенсивность прохождения тока, что может привести к разрушению полупроводниковых элементов. В связи с этим полупроводниковые элементы часто монтируются на радиаторе. Например, в автомобиле приходится монтировать таким образом электронные блоки управления, чтобы они не подвергались интенсивному тепловому излучению.

Величина сопротивления полупроводниковых материалов также может зависеть, например, от поданного напряжения, от попадающего на них света, от действующего на них давления или от силы попадающего на них магнитного поля. Кроме того, на характеристику их сопротивления влияют примеси других веществ (изменение характеристики полупроводника путем введения примесей).

В таблице 1 перечислены часто применяемые полупроводниковые материалы и электронные элементы, в которых они применяются.

Таблица 1

Полупроводники n-типа и p-типа

Проводимость чистейшего кремния может быть сильно увеличена посредством самого незначительного «загрязнения» примесными атомами. В зависимости от того, какой конкретный материал встраивается (вводится) в кристаллическую решетку основного материала, кремния, получают полупроводники n-типа или полупроводники p-типа (рис. 2).

Рис. 2. Полупроводник n-типа и полупроводник p-типа

(образное представление системы)

Полупроводники n-типа (n от negativ, отрицательный). Представляют собой полупроводниковые материалы, имеющие избыточное количество электронов. При подаче электрического напряжения на полупроводник n-типа свободные электроны в нём движутся как в металлическом проводнике.

Носителями заряда в полупроводниках n-типа являются электроны.

Полупроводники p-типа (p от positiv, положительный). Они представляют собой полупроводниковые материалы, имеющие недостаточное количество электронов. В тех местах, где отсутствуют электроны, их недостаточно, а, следовательно, полупроводниковый материал имеет положительный заряд. Такое место, где отсутствует электрон, иначе называется дыркой. При подаче напряжения на полупроводник p-типа соседний свободный электрон может заскочить в дырку. Однако при этом дырка перейдет к атому, который отдал электрон.

Носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

P-n-переход. Когда полупроводник p-типа граничит с полупроводником n-типа, возникает p-n-переход. В пограничном слое свободные электроны полупроводника n-типа переходят в дырки полупроводника p-типа. В результате в пограничном слое почти не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок) (рис. 1).

Рис. 1. p-n-переход

В области p-n-перехода полупроводников образуется запирающий слой.

Диоды

Представляют собой полупроводниковые элементы, состоящие из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа; эти полупроводники образуют p-n-переход. Диоды имеют два вывода. При монтаже диода в электрической схеме в зависимости от полярности различают рабочие состояния пропускания и запирания (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения диодов

Диоды пропускают ток только в одном направлении и запирают его в противоположном направлении. Они работают как вентили.

Полоса пропускания диодов (рис. 3 и 4). В диодах, работающих в пропускном направлении (направление вперед ), при подъеме напряжения U_F’ выше противодействующего напряжения сильно возрастает прямой ток I_F. В германиевых диодах противодействующее напряжение составляет около 0,3 В, в кремниевых – около 0,7 В.

При напряжении ниже противодействующего напряжения диод, работающий в полосе пропускания, имеет большое омическое сопротивление, а при напряжении выше противодействующего напряжения – низкое.

Рис. 3. Полоса пропускания диодов

Область запирания диодов (рис. 4). Через диоды, работающие в запирающем направлении (обратное направление ), даже при возрастании напряжения U_R протекает лишь незначительный обратный ток I_R.

Область пробоя диодов (рис. 4). При дальнейшем увеличении запирающего напряжения диод становится токопроводящим; резко возрастающий в этот момент обратный ток становится током пробоя, который может разрушить диод.

			Полоса пропускания

Рис. 4.Характеристика диода

Выпрямительные схемы

Диоды применяются для выпрямления переменных напряжений.

Однополуволновая схема (рис. 5). Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает положительная полуволна напряжения, диод включается в пропускном направлении; диод пропускает положительную полуволну напряжения. При поступлении отрицательной полуволны напряжения диод включается в запирающем направлении, при этом отрицательная полуволна напряжения подавляется, и напряжение в это время равняется нулю.

Рис. 5. Однополуволновая схема

Двухполуволновые схемы (рис. 1).Диоды включаются в цепь таким образом, что в процессе выпрямления тока может быть задействована как положительная, так и отрицательная полуволна напряжения. Принцип выпрямления можно рассмотреть на схеме электрических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Двухполуволновая схема

Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает положительная полуволна напряжения, ток течет через диоды и нагрузку к клемме 2 (красная стрелка).

Когда в определенный момент времени на клемму 1 генератора поступает отрицательная полуволна напряжения, ток течет от клеммы 2 через диоды и нагрузку к клемме 1 (пунктирная красная стрелка).

Если рассмотреть направление тока в нагрузочном резисторе R, то оно одинаковое в обоих случаях. Таким образом, для выпрямления используются обе полуволны напряжения. Возникающее при этом постоянное напряжение более равномерное, чем при однополуволновой схеме (рис. 1).

Диоды Зенера (полупроводниковые стабилитроны)

Диоды Зенера¹⁾ чаще всего работают в обратном направлении, т.е. они включаются в цепь в запирающем направлении. На их характеристической кривой наблюдается резкий изгиб на переходе из области запирания в область пробоя. При этом сильно возрастает ток пробоя (ток Зенера I_Z) (рис. 2).

Рабочей областью диодов Зенера является область пробоя.

В области пробоя диоды Зенера работают как выключатели или вентили. В электронных схемах они могут применяться, например, для стабилизации напряжения, ограничения напряжения или в качестве задатчика.

¹⁾ Кларенс Мэлвин Зенер, американский физик

Рис. 2. Рабочие характеристики диодов Зенера

Диод Зенера, например, диод Зенера типа V6 (рис. 2) становится токопроводящим при напряжении Зенера U_Z от 8,0 В до 8,1 В. Максимально допустимый ток I_Z через такой диод Зенера составляет около 170 мA. При более высоком токе этот диод Зенера разрушится от термической перегрузки.

Любому диоду Зенера требуется добавочный резистор для ограничения тока.

Стабилизация напряжения (рис.3). Пока на диоде Зенера не достигнуто напряжение Зенера, его сопротивление R_Z существенно превышает сопротивление добавочного резистора R₁. Полное рабочее напряжение U₁практически присутствует на диоде Зенера, а, значит, одновременно и на нагрузочном резисторе R_L.

Когда рабочее напряжение U₁ превышает напряжение Зенера U_Z, сопротивление диода Зенера очень сильно падает. В результате ток Зенера дополнительно течет через добавочный резистор R₁, так что на добавочном резисторе R₁ увеличивается падение напряжения U_a.

Рис. 3. Стабилизация напряжения

При стабилизации напряжения посредством диода Зенера достигается почти постоянное выходное напряжение U₂ благодаря падению напряжения U_a на добавочном резисторе R₁.

Транзисторы

Состоят из трех расположенных друг над другом полупроводниковых слоев, каждый из которых имеет по одному электрическому выводу. По чередованию полупроводниковых слоев транзистор можно сравнить с двумя противовключенными диодами. В зависимости от структуры полупроводниковых слоев различают транзисторы структуры p-n-p и транзисторы структуры n-p-n. Полупроводниковые слои с их выводами называются эмиттер Э,коллектор К ибаза G (таблица 1).

Таблица 1

Транзисторы
Полупровод- никовые слои	Сравнение с диодами	Условное схематическое обозначение

Транзисторы могут применяться в качестве выключателей с функцией реле, а также в качестве усилителей и управляемых резисторов.

Транзистор в качестве выключателя (рис. 1)

Обеспечивает возможность бесконтактного включения и выключения большого рабочего тока посредством небольшого управляющего тока; а поскольку в нем отсутствуют механические подвижные части, он работает без износа, бесшумно и без искрового промежутка. Процессы включения и выключения осуществляются без задержек, в диапазоне микросекунд. В этом случае транзистор имеет функцию реле.

Рис. 1. Транзистор в качестве выключателя (принцип)

Транзистор структуры p-n-p в качестве выключателя (рис. 2)

Состояние «Включено». При работе транзистора структуры p-n-pбаза и коллектор всегда имеют отрицательную полярность относительно эмиттера (рис. 2). При подаче между эмиттером E и базой B постоянного напряжения начинает течь небольшой ток базы I_B (управляющий ток), который переключает транзистор: в этот момент времени через переключаемую нагрузку (лампу накаливания) может течь большой ток эмиттер-коллектор I_С (рабочий ток). При этом ток базы I_B ограничивается посредством резистора.

Состояние «Выключено». При прерывании тока базы I_B происходит одновременное прерывание коллекторного тока I_С, т.е. транзистор запирает рабочий ток. Прерывание коллекторного тока также происходит, когда полярность базы становится положительной (рис. 2).

Рис. 2. Транзистор структуры p-n-p в качестве выключателя

Транзистор структуры n-p-n в качестве выключателя (рис. 3)

Состояние «Включено». При работе транзистора структуры n-p-nбаза и коллектор всегда имеют положительную полярность относительно эмиттера (рис. 3).

Состояние «Выключено». Прерывание коллекторного тока происходит вследствие прерывания тока базы, или вследствие отрицательной полярности базы. В остальном происходят все те же процессы, что и в транзисторе структуры p-n-p.

Рис. 3. Транзистор структуры n-p-n в качестве выключателя

Небольшой управляющий ток между эмиттером и базой (ток базы) вызывает большой рабочий ток между эмиттером Э и коллектором К (ток эмиттер- коллектор).

Транзистор в качестве усилителя (рис. 1)

Нагрузочный резистор R_L и сопротивление коллектор-эмиттер R_ЭК транзистора образуют делитель напряжения. При изменении сопротивления транзистора изменяется соотношение между напряжениями U_L : U_КЭ.

При увеличении напряжения U_БЭ сопротивление транзистора уменьшается. В делителе напряжения течет более высокий ток. В делителе напряжения изменяется соотношение между напряжениями; на нагрузочном резисторе R_L происходит более сильное падение напряжения U_L.

Небольшое изменение напряжения база-эмиттер U_БЭ вызывает сильное увеличение напряжения U_L на нагрузочном резисторе R_L. Этот процесс называется усилением напряжения.

Рис. 1. Транзистор в качестве усилителя (макетная схема)

При незначительном увеличении напряжения U_БЭ одновременно увеличивается ток базы I_Б. Наступающее вследствие этого уменьшение сопротивления R_КЭ транзистора ведет к сильному увеличению коллекторного тока I_К. Этот процесс называется усилением тока.

Транзистор в качестве переменного резистора. Принцип действия тот же, что и при применении транзистора в качестве усилителя (рис. 1). Однако в данном случае следует обратить внимание на то, что происходящие в «резисторном транзисторе» тепловые потери не разрушают транзистор.