Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

соответствующей примеси к сверхчистому полупроводнику увеличи­ вает его электропроводность (дырочную или электронную) в десят­

ки тысяч раз.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют полупроводниками типа п. Свободные электроны в них при­ нято называть о с н о в н ы м и н о с и т е л я м и з а р я д а , а дыр­ ки-—н е о с н о в н ы м и . Полупроводники с преобладанием дыроч­ ной электропроводности называют полупроводниками типа р. В них дырки являются основными носителями заряда, а свободные элек­ троны — неосновными.

Рис. 10.17. Атомы трех-, четырех- и пятивалентных элементов:

а— алюминий; 6 —кремний; в — фосфор

Вкачестве акцепторных примесей применяют вещества, валентность которых (т. е. количество валентных электронов в атомах) на единицу меньше, чем у данного полупроводника, а в качестве донорных примесей — вещества, валентность которых на единицу больше по сравнению с валентностью полупроводника.

На рис. 10.17 представлены схемы атомов алюминия, кремния и фосфора. Атом кремния, как известно, имеет четыре валентных элек­

трона. У атома алюминия их три и потому алюминий применяется в качестве акцепторной примеси к кремнию, а у атома фосфора—пять валентных электронов — фосфор используется как донорная примесь. Добавка алюминия к кремнию способствует образованию дырок в элек­ тронных оболочках его атомов, а добавка фосфора — увеличению ко­ личества свободных электронов в веществе кремния. В практике для кремния и германия применяют в качестве акцепторных примесей бор, алюминий, индий; в качестве донорных примесей — сурьму, фос­ фор, мышьяк.

Электронно-дырочный переход

Наличие у полупроводников двух типов электропроводности ис­ пользуется для создания приборов с вентильным действием. Для этих целей создается контакт между двумя полупроводниками с различ­ ными типами электропроводности. Пограничную зону между областя­ ми с электропроводностью р- и n-типа называют электронно-дырочным переходом, или р-п-переходом. В зоне перехода образуется тонкий слой, называемый з а п и р а ю щ и м . Запирающий слой обладает односто­

170

ронней электропроводностью, а именно для тока, направленного от области р к п, он имеет малое сопротивление, а для тока, направленного от области п к области р, — весьма высокое сопротивление, практи­

чески препятствующее протеканию тока (откуда и название запираю­ щий слой).

Таким образом, если полюс источника постоянного тока подсоеди­ нить к области р полупроводника, а минус — к области п, ток будет протекать через р-н-переход. Если же полярность источника тока из­ менить на обратную, т. е. к области р присоединить минус источника, а к области п — плюс, ток через р-н-переход не проходит (или точнее почти не проходит) вследствие весьма большого сопротивления запирающего слоя.

Физическая сущность этого явления довольно сложна. С некото­ рым упрощением оно может быть объяснено тем, что в области элек­ тропроводности п-типа преобладают носители отрицательных заря­

навстречу друг другу — этим самым поддерживается электрический ток в переходе. При обратном же направлении электрического поля (от области п к области р) электроны и дырки в двух областях, обра­ зующих р-и-переход, стремятся двигаться в противоположные стороны и электрический ток через р-п-переход не проходит.

Вентильное свойство р-п-перехода лежит в основе устройства почти всех полупроводниковых приборов.

§ 10.10. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют прибор, обладающий вен­ тильным свойством и выполняющий те же функции, что и двухэлек­ тродная электронная лампа. Вентильные свойства полупроводнико­ вого диода определяются наличием в нем электронно-дырочного пе­ рехода.

Наибольшее применение в устройствах электроники имеют в на­ стоящее время германиевые и кремниевые диоды— вентили; исполь­ зуются также и селеновые вентили.

Германиевые и кремниевые диоды

Для выполнения р-п-переходов при изготовлении германиевых и кремниевых вентилей применяют два вида контактов: точечный (рис. 10.18, а) и плоскостной (рис. 10.18, б). При этом для создания пограничного слоя между областями с различными типами электро­ проводности не требуется иметь два различных полупроводника: добавкой соответственно подобранных примесей или некоторой техно­

171

логической обработкой в одном и том же веществе могут быть получе­ ны области с электропроводностью типов р и п. В качестве примера на рис. 10.18, в и г показано образование плоскостного р-п-перехода так называемым сплавным способом.

В пластинку германия с электропроводностью типа п (рис. 10.18, в) вплавлен кусочек индия*. В процессе вплавления этого кусочка ато­ мы индия проникают в германий, образуя в нем слой с электропровод­ ностью типа р. Этим самым в пластинке германия возникает на грани­ це областей с противоположными типами электропроводности р-п~ переход.

а) 6)

р

п

п

Q)Герм.

пус

Аналогичная конструкция /7-/г-перехода для кремния показана на

Существуют и другие способы создания р-«-перехода: при диффузи­ онном способе производится термическая обработка полупроводника в вакуумной печи в среде с парами необходимой примеси ‘(например, кремния в среде с парами борной кислоты).

Точечный контакт находится обычно между заостренной вольфра­ мовой проволочкой и пластинкой из германия или кремния с электро­ проводностью n-типа. Контакт подвергают термической (тепловой)

* Индий — трехвалентный элемент, служит для германия акцепторной при­ месью.

172

обработке, пропуская через него кратковременный электрический ток, в результате чего в пластинке (в кристаллах германия или крем­ ния) возникают отдельные зерна с электропроводностью типа р и сле­ довательно, на весьма малых участках поверхности кристалла созда­

ются р-п-переходы. С этими малыми участками и контактирует острие проволоки.

Представление о конструктивном выполнении точечных и плоско­ стных германиевых и кремниевых диодов дают рис. 10.19 и 10.20.

Рис. 10.20. Плоскостные диоды (вентили);

Q — малой мощности германиевый; б ■— мощный кремниевый; е — тун­ нельный диод; г — обозначение полупроводикового диада; д — то же, туннельного диода

На рис. 10.19 показан (в увеличенном виде) точечный диод. По­ лупроводниковая пластинка и проволочка, находящаяся в контакте с ней, помещаются в герметическом стеклянном корпусе. Размеры диода очень малы—диаметр корпуса составляет всего 5—6 мм, длина корпуса около 6 мм, а всего прибора 12—15 мм. Точечные диоды выпускают на небольшие токи — до нескольких десятков милли­ ампер (мА).

173

На рис. 10.20 показан в разрезе плоскостной германиевый диод не­ большой мощности. Электронно-дырочный переход в нем создан сплав­ ным способом (вплавление кусочка индия в германиевую пластину, как это мы видели на рис. 10.18, в). Пластинка 1 припаяна к стальному основанию 2 с выводом (в нижней части рисунка). Второй вывод (со стороны индия) выполняется медной проволокой 3, изолированной от корпуса диода. Кремниевые диоды такого рода имеют аналогичную кон­ струкцию. На рис. 10.20, б показан мощный кремниевый диод-вентиль.

Полупроводниковые плоскостные диоды малой мощности широко применяются как выпрямители переменного тока в различных устрой­ ствах электроники, постепенно вытесняя электровакуумные диоды.

Основными параметрами, характеризующими полупроводниковые диоды, являются:

а) максимальная величина напряжения, приложенного к диоду в обратном, непроводящем направлении, которую он может выдержать длительное время без повреждения; обозначается эта величина U0бРтах; б) среднее значение тока / ср, который может длительное время про­

ходить через диод.

Для точечных диодов эти величины не превышают по напряжению 150—200 В и по току 40—50 мА. У плоскостных диодов малой мощ­ ности эти параметры значительно выше: напряжение до 400—600 В

и ток до 10 А (10 000 мА).

Маркировка германиевых и кремниевых диодов установлена в сле­ дующем виде. Первый знак — цифра: 1 — германиевый, 2 — крем­ ниевый. Второй знак — буква Д. Третий, четвертый и пятый знаки — три цифры, составляющие числа от 101 до 499; эти числа — шифр, обо­ значающий свойства и назначение данного диода. Шестой знак — буква, означающая модификацию, разновидность данного типа диода.

Например: 1-Д-101-А — германиевый диод, выпрямительный, типа А.

В последние годы германиевые и особенно кремниевые вентили-дио­ ды все больше внедряются в электроэнергетику, заменяя ионные ртут­ ные выпрямители. Для этой цели промышленностью выпускают мощ­ ные диоды на токи до 200—350 А в одном вентиле. Вентили соединяют­ ся в блоки по 12—18 в каждом, а блоки в свою очередь объединяются в выпрямительные агрегаты. При этом вентили вместе с многочислен­ ными добавочными сопротивлениями и конденсаторами соединяются последовательно и параллельно. Общая схема получается довольно сложной.

Помимо полупроводниковых диодов обычного типа имеются также некоторые их разновидности. Из них в первую очередь следует наз­ вать т у н н е л ь н ы е диоды, получившие большое распространение в различных схемах электроники и автоматики (рис. 10.20, в). Тун­ нельные диоды изготовляются из полупроводниковых материалов со значительно большим, по сравнению с обычными диодами, содержа­ нием примесей. Они отличаются малыми размерами и весом, надежно работают при высоких и низких температурах. Условное обозначение туннельных диодов в схемах показано на рис. 10.20, д.

174

Селеновые вентили

Селен является полупроводником с дырочной электропроводностью (р-типа) и в отличие от германия и кремния никакие примеси не могут создать в нем область с противоположной электропровод­ ностью, т. е. типа п. Поэтому р-п-переход в селеновых вентилях создается на поверхности селена между ним и некоторыми други­ ми веществами. Для этой цели применяют металл кадмий. Его хими­ ческие соединения: с селеном — селенид кадмия и с серой—сульфид

Рис. 10.21. Селеновые вентили:

кадмия яеляются полупроводниками n-типа. При изготовлении се­

обработки вентиля на границе со слоем селена образуются указанные вещества — селенид кадмия и сульфид кадмия — и создается р-п-пе­ реход между ними и селеном.

Промышленность выпускает селеновые вентили двух типов: серии А и серии Г. Принцип действия их один и тот же, но конструктивно они отличаются друг от друга расположением слоев p-типа и п-типа, в результате чего изменяется проводящее ток направление в вентиле. На рис. 10.21, а, где показаны схематически в разрезе вентили ука­ занных двух серий, видно, что у серии А ток проходит от основа­

173

г

По внешнему виду селеновый вентиль представляет собой тонкую пластинку или диск; размеры вентилей различны: от дисков (таблет) диаметром 5—7 мм, рассчитанных на выпрямление тока в несколько миллиампер, до квадратных пластин 100 X 100 мм, рассчитанных на

ток порядка 2А.

Из отдельных вентилей — дисков или пластин комплектуются се­ леновые выпрямители в виде так называемых выпрямительных стол­ биков (рис. 10.21, б). В них отдельные вентили и их группы могут быть соединены и последовательно и параллельно. Такие селеновые выпрямители выпускают на токи в десятки ампер и напряжения

всотни вольт.

Встроительстве кремниевые, германиевые и селеновые диоды-вы­

прямители применяют не только в устройствах автоматики. Их ис­ пользуют также вместо ртутных выпрямителей для зарядки аккуму­ ляторов. С селеновыми и кремниевыми вентилями промышленность выпускает сварочные выпрямители для ручной дуговой электросвар­ ки постоянным током (подробнее см. гл. 14).

§ 10.11. Транзисторы

Транзистором, или полупроводниковым триодом, называют полу­ проводниковый прибор, выполняющий те же функции, что и трехэлек­ тродные электронные лампы с управляющей сеткой. Основное назна­ чение транзисторов в промышленной электронике — усиление слабых электрических сигналов, получаемых от датчиков, в различных уст­ ройствах автоматики.

Работа транзистора основана на наличии в нем двух электронно­ дырочных переходов. Так же как у полупроводниковых диодов, р-п-пе- реходы у транзисторов могут выполняться с помощью точечных и пло­ скостных контактов; однако точечные контакты для изготовления этих приборов в настоящее время применяются мало, поэтому, в дальней­ шем изложении будут рассмотрены транзисторы только с плоскост­ ными контактами.

Полупроводниковыми материалами для транзисторов служат крем­ ний и германий. Плоскостной транзистор содержит тонкую пластинку из кремния или германия с электропроводностью типа /г, в которой с двух сторон введением акцепторной примеси создаются области с экектропроводностью типа р. Таким образом, в пластинке между ее наружными слоями с дырочной и средним слоем с электронной электропроводностью создаются два р-м-перехода

Транзисторы с таким расположением р-н-переходов называют тран­ зисторами типа р-н-р; схема их устройства показана на рис. 10.22, а.

Могут изготовляться транзисторы и второго типа п-р-п (рис. 10.22, б). Для этого требуется, чтобы пластинка кремния или германия обладала электропроводностью типа р, а «-электропроводность наружных слоев создают путем введения донорных примесей. Наибольшее распространение получили транзисторы типа р-п-р.

Вещества, применяемые в качестве акцепторных и донорных при­ месей для кремния и германия, указывались в § 10.10. Для введения

173