Міністерство Науки та Освіти
Україна
Реферат на тему:
Застосування напівпровідникових приладів
Виконав:
учень 10-В класу
Середній Загальноосвітньої
Школи № 94
Гладков Євген
Перевірила:
Іванова
Ольга Петрівна
м. Харків, 2004.
Напівпровідникові прилади - різноманітні за конструкцією, технології виготовлення і функціональному призначенню електронні прилади, засновані на використанні властивостей напівпровідників. До напівпровідниковим приладам відносять також напівпровідникові мікросхеми, які являють собою монолітні закінчені функціональні вузли (підсилювач, тригер, набір елементів), усі компоненти яких виготовляються в єдиному технологічному процесі.
Напівпровідники - речовини, електронна провідність яких має проміжне значення між провідністю провідників і діелектриків. До напівпровідників відноситься велика група природних і синтетичних речовин різної хімічної природи, твердих і рідких, з різними механізмами провідності. Найбільш перспективними напівпровідниками в сучасній техніці є так звані електронні напівпровідники, провідність яких обумовлена рухом електронів. Однак на відміну від металевих провідників концентрація вільних електронів у напівпровідниках дуже мала і зростає з підвищенням температури, чим пояснюється їх знижена провідність і специфічна залежність від питомого опору і температури: якщо у металевих провідників при нагріванні електричний опір підвищується, то в напівпровідників воно знижується. Збільшення концентрації вільних електронів з підвищенням температури пояснюється тим, що зі збільшенням інтенсивності теплових коливань атомів напівпровідників все більша кількість електронів зривається з зовнішніх оболонок цих атомів і отримує можливість переміщатися за обсягом напівпровідника. У перенесенні електрики через напівпровідники, крім вільних електронів можуть приймати участь місця, що звільнилися від перейшли у вільний стан електронів - так звані дірки.
Тому і вільні електрони і дірки називають носіями електричного заряду, причому дірці приписують позитивний заряд, рівний заряду електрона. В ідеальному напівпровіднику утворення вільних електронів і дірок відбувається одночасно, парами, а тому концентрації електронів і дірок однакові. Введення ж в напівпровідник певних домішок здатне призвести до збільшення концентрації носіїв одного знака і сильно підвищити провідність. Це відбувається за умови, що на зовнішній оболонці атомів домішки перебуває на один електрон більше (донорні домішки) або на один електрон менше (акцепторні домішки), ніж в атомів вихідного напівпровідника. У першому випадку домішкові атоми (донори) легко віддають зайвий електрон, а в другому (акцептори) - забирають відсутній електрон від атомів напівпровідника, створюючи дірку. Для найбільш поширених напівпровідників (кремнію і германію), що є чотиривалентний хімічними елементами, донорами служать пятивалентной речовини (фосфор, миш'як, сурма), а акцепторами - тривалентні (бор, алюміній, індій). У залежності від переважного типу носіїв домішкові напівпровідники ділять на напівпровідники електронного (п-типу) і діркового (р-типу).
Залежність електропровідності напівпровідника від різних зовнішніх впливів служить основою різноманітних технічних приладів. Так, зменшення опору використовується термисторах, зменшення опору при висвітленні-в фоторезистора. Поява ЕРС при проходженні струму через напівпровідник, поміщений в магнітне поле (ефект Холла) застосовується для вимірювання магнітних полів, потужності і т.д. Особливо цінними властивостями володіють неоднорідні напівпровідники (зі змінною від однієї частини обсягу до іншої провідністю), а також контакти різних напівпровідників між собою і напівпровідників з металами. Виникаючі в таких системах ефекти найбільш яскраво проявляються у електронно-діркових переходів (р-п-переходом). Використання р-п-переходів лежить в основі дії багатьох напівпровідникових приладів: транзистора, напівпровідникового діода, напівпровідникового фотоелемента, термоелектричного генератора, сонячної батареї.
60-ті - 70-ті роки становлять епоху напівпровідникової техніки і власне електроніки. Електроніка впроваджується в усі галузі науки, техніки і народного господарства. Будучи комплексом наук, електроніка тісно пов'язана з радіофізикою, радіолокацією, радіонавігації, радіоастрономії, радіометеорологів, радіоспектроскопії, електронної обчислювальної і керуючої технікою, радіоуправлінням на відстані, телевимірювань, квантової радіоелектронікою.
У цей період тривало подальше удосконалення електровакуумних приладів. Велика увага приділяється підвищенню їх міцності, надійності, довговічності. Розроблялися пальчикові і надмініатюрні лампи, що давало можливість знизити габарити установок, які налічують велику кількість радіоламп.
Тривали інтенсивні роботи в області фізики твердого тіла і теорії напівпровідників, розроблялися способи одержання монокристалів напівпровідників, методи їх очищення та введення домішок. Великий внесок у розвиток фізики напівпровідників внесла радянська школа академіка А. Ф. Іоффе.
Напівпровідникові прилади швидко і широко поширилися за 50-ті-70-ті роки в усі галузі народного господарства. У 1926 р. був запропонований напівпровідниковий випрямляч змінного струму з закису міді. Пізніше з'явилися випрямлячі з селену та сірчистої міді. Бурхливий розвиток радіотехніки (особливо радіолокації) в період другої світової війни дало новий поштовх до досліджень в галузі напівпровідників. Були розроблені точкові випрямлячі змінних струмів НВЧ на основі кремнію і германію, а пізніше з'явилися площинні германієві діоди. У 1948 р. американські вчені Бардін і Браттейн створили германієвий точковий тріод (транзистор), придатний для посилення і генерування електричних коливань. Пізніше був розроблений кремнієвий точковий тріод. На початку 70-х років точкові транзистори практично не застосовувалися, а основним типом транзистора був площинний, вперше виготовлений в 1951 р. До кінця 1952 р. були запропоновані площинний високочастотний тетрод, польовий транзистор і інші типи напівпровідникових приладів. У 1953 р. був розроблений дрейфовий транзистор. У ці роки широко розроблялися та досліджувалися нові технологічні процеси обробки напівпровідникових матеріалів, способи виготовлення pn-переходів і самих напівпровідникових приладів. На початку 70-х років, крім площинних і дрейфових германієвих і кремнієвих транзисторів, знаходили широке поширення й інші прилади, що використовують властивості напівпровідникових матеріалів: тунельні діоди, керовані і некеровані чотиришарові перемикаючі прилади, фотодіоди та фототранзистори, варикапи, терморезистори і т.д.
Розвиток і вдосконалення напівпровідникових приладів характеризується підвищенням робочих частот і збільшенням допустимої потужності. Перші транзистори володіли обмеженими можливостями (граничні робочі частоти порядку сотні кілогерц та потужності розсіювання близько 100 - 200 МВт) і могли виконувати лише деякі функції електронних ламп. Для того ж діапазону частот були створені транзистори з потужністю в десятки ватт. Пізніше були створені транзистори, здатні працювати на частотах до 5 МГц і розсіювати потужність порядку 5 Вт, а вже в 1972 р. були створені зразки транзисторів на робочі частоти 20 - 70 МГц з потужностями розсіювання, що досягають 100 Вт і більше. Малопотужні ж транзистори (до 0,5 - 0,7 Вт) можуть працювати на частотах понад 500 МГц. Пізніше з'явилися транзистори, що працюють на частотах порядку 1000 МГц. Одночасно велися роботи з розширення діапазону робочих температур. Транзистори, виготовлені на основі германію, мали спочатку робочі температури не вище +55 ¸ 70 ° С, а на основі кремнію - не вище +100 ¸ 120 ° С. Створені пізніше зразки транзисторів на арсеніді галію виявилися працездатними при температурах до +250 ° С, і їх робочі частоти в підсумку збільшилися до 1000 МГц. Є транзистори на карбіді, що працюють при температурах до 350 ° С. Транзистори і напівпровідникові діоди за багатьма показниками у 70-ті роки переважали електронні лампи і в підсумку повністю витіснили їх з областей електроніки. У інтегральної електроніці МДП-структури широко використовуються для створення транзисторів і на їх основі різних інтегральних мікросхем.
Перед проектувальниками складних електронних систем, які мають десятки тисяч активних і пасивних компонентів, стоять завдання зменшення габаритів, ваги, споживаної потужності і вартості електронних пристроїв, поліпшення їх робочих характеристик і, що найголовніше, досягнення високої надійності роботи. Ці завдання успішно вирішує мікроелектроніка - напрям електроніки, що охоплює широкий комплекс проблем і методів, пов'язаних з проектуванням та виготовленням електронної апаратури в мікромініатюрних виконання за рахунок повного або часткового виключення дискретних компонентів.
Основною тенденцією мікромініатюризації є "інтеграція" електронних схем, тобто прагнення до одночасного виготовлення великої кількості елементів і вузлів електронних схем, нерозривно пов'язаних між собою. Тому з різних областей мікроелектроніки найбільш ефективною виявилася інтегральна мікроелектроніка, яка є одним з головних напрямків сучасної електронної техніки. Зараз широко використовуються надвеликі інтегральні схеми, на них побудовано все сучасне електронне устаткування, зокрема ЕОМ і т.д.
Термін служби напівпровідникових тріодів і їх економічність у багато разів більше, ніж в електронних ламп. За рахунок чого транзистори знайшли широке застосування в мікроелектроніці - тілі-, відео-, аудіо-, радіоапаратуру і, звичайно ж, у комп'ютерах. Вони заміняють електронні лампи в багатьох електричних ланцюгах наукової, промислової і побутової апаратури.
Біполярний транзистор - універсальний напівпровідниковий підсилювальний прилад, що виконує ті ж функції, що і електронна лампа з керуючою сіткою. За аналогією з лампою, біполярний транзистор називають напівпровідниковим тріодом. Його дія заснована на використанні особливих властивостей неоднорідних напівпровідників. Особливість транзистора полягає в тому, що між електронно-дірковий переходами існує взаємодія - струм одного з переходів може керувати струмом іншого.
Крім посилення електричних коливань, біполярні транзистори широко використовуються як безконтактні комутаційні пристрої, в різноманітних генераторних схемах, для перетворення та детектування коливань, причому від відповідних лампових пристроїв схеми з біполярними транзисторами відрізняються мініатюрністю, високою економічністю харчування, великою механічною міцністю, миттєвою швидкістю до дії, великою довговічністю. Максимальні робочі частоти самих високочастотних біполярних транзисторів перевищують 10000 МГц, найбільші потужності - приблизно 200-250 Вт. До недоліків біполярних транзисторів відноситься суттєва температурна залежність їх характеристик.
Основні матеріали, з яких виготовляють транзистори - кремній і германій, перспективні - арсенід галію, сульфід цинку і широкозонних провідники.
Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, в якому струм змінюється в результаті дії перпендикулярного струму електричного поля, створюваного сигналом. Польовий транзистор вирізняється від біполярного тим, що використовується в ньому механізм посилення обумовлений носіями заряду тільки одного знаку (електронами або дірками). Польовий транзистор називають також канальним і уніполярних транзистором.
Польові транзистори мають ВАХ (вольт-амперні характеристики), подібні ламповим, і володіють всіма принциповими перевагами транзисторів. Це дозволяє застосовувати їх у схемах, в більшості випадків використовувалися електронні лампи, наприклад, в підсилювачах постійного струму з високоомним входом, в істоковий повторювачах з особливо високоомним входом, в електрометричних підсилювачах, різних реле часу, RS - генераторах синусоїдальних коливань низьких і інфранизьких частот, у генераторах пилкоподібних коливань, підсилювачах низької частоти, що працюють від джерел з великим внутрішнім опором, в активних RC - фільтри низьких частот. Польові транзистори з ізольованим затвором використовують у високочастотних підсилювачах, змішувачах, ключових пристроях.
Польові транзистори мають вольт-амперні характеристики, подібні ламповим, і володіють усіма принциповими перевагами транзисторів.
Напівпровідниковий діод - двохелектродні напівпровідниковий прилад, дія якого заснована на використанні властивостей електронно-діркового переходу. Основна властивість напівпровідникового діода - одностороння провідність, що дозволяє застосовувати напівпровідникові діоди в якості випрямлячів змінного струму. Прообразом сучасних напівпровідникових діодів був кристалічний детектор, що складається з кристала (карборунда, цинкита) та металевої пружинки, вістря якої притискалося до поверхні кристала. Ефект випрямлення у таких детекторів залежав від обраної точки дотику пружинки з кристалом і відзначався великою нестійкістю, що вимагало періодичних пошуків "чутливою" точки. У сучасних точкових напівпровідникових діодах використовуються пластинки із кристалів кремнію або германію, а контакт металевої голки з напівпровідником піддається особливій електричної формуванні. Ці заходи поряд із застосуванням герметичної оболонки забезпечують більшу стабільність і довговічність точкових напівпровідникових діодів. Крім детектування радіосигналів всіх частот аж до сотень тисяч МГц, точкові напівпровідникові діоди застосовуються для перетворення частоти, у вимірювальній радіоапаратурі і т.д. і т.п. Найбільш обширну групу напівпровідникових діодів утворюють площинні діоди, в яких електронно-дірковий перехід створюється тими ж методами, що і в площинних транзисторах: вплавление домішок, шляхом дифузії домішкових речовин в обсяг вихідної платівки. Напівпровідникові діоди застосовуються також для багатьох інших цілей, в тому числі для селекції імпульсів певної полярності, для стабілізації напруги, в якості керованого конденсатора і ін Особливими різновидами напівпровідникового діода є перемикаючі діоди з трьома р-п-переходами, двухбазовий діод (застосовують головним чином в імпульсних пускових схемах) і тунельний діод, фотодіод і звернений діод.
Тунельний діод - двохелектродні діод напівпровідниковий прилад, який застосовується для підсилення і генерування високочастотних електричних коливань і в якості швидкодіючого перемикача в імпульсних та електронних логічних пристроях. Принцип роботи тунельних діодів заснований на явищі квантовомеханічного тунельного ефекту. Тунельні діоди застосовуються в широкополосних підсилювачах, для посилення і генерування високочастотних електричних коливань і в якості швидкодіючого перемикача в імпульсних та електронних логічних пристроях.
Фотодіод - напівпровідниковий фотоелектричний прилад з внутрішнім фотоефектом, що відображає процес перетворення світлової енергії в електричну. Внутрішній фотоефект полягає в тому, що під впливом енергії світлового випромінювання в області р-п-переходу відбувається іонізація атомів основної речовини і суміші, в результаті чого генеруються пари носіїв заряду - електрон і дірка. У зовнішній ланцюга, приєднаної до р-п-переходу, виникає струм, викликаний рухом цих носіїв. Промисловість випускає германієві і кремнієві фотодіоди. Різновид фотодіода, використовуваного для силового перетворення променистої енергії, - сонячна батарея, яка є важливим джерелом живлення в космічній техніці, але знаходить застосування для живлення апаратури і в земних умовах.
Напівпровідниковий стабілізатор напруги (стабілітрон) - це кремнієвий площинний напівпровідниковий діод, напруга на якому зберігається з певною точністю при протіканні через нього струму в заданому діапазоні. Тобто, якщо стабілітрон розрахований на прібівное напруга 4,5 в і напругу до стабілітрона було, припустимо, 5в, то після нього його значення буде не більше 4,5 в. Якщо напруга, на яке розрахований стабілітрон, у кілька разів менше напруги на ділянці до нього, то він буде сильно грітися, не виключена і його псування (він згорить). Стабілітрони виготовляються для стабілізації напруги від 3 до сотень вольт, завдяки чому знаходять велике застосування в радіотехніці для стабілізації напруги. Щоб уникнути псування стабілітрона послідовно з ним включається обмежує струм резистор.
Варикап - спеціально сконструйований напівпровідниковий діод, застосовуваний як конденсатора змінної ємності. Значення ємності варикапа визначається ємністю р-п-переходу і змінюється при зміні прикладеної до переходу (до діода) напруги. З електричного кола з варикапом, з'являються складові струму нових частот. Це явище використовується в радіотехніці для множення і ділення частоти, для параметричного підсилення. Варикап може також використовуватись для налагодження конфігурації коливального контуру, для автоматичного підстроювання частоти та частотної модуляції.
Варистор - напівпровідниковий прилад, опір якого змінюється по нелінійному закону при зміні прикладеної напруги. До варистора відносяться більшість напівпровідникових, електронних і іонних приладів. Найчастіше варистори застосовуються для захисту елементів електричних схем від перенапруг і контактів реле від руйнування, а також у стабілізаторах амплітуди як елементи, що знижують нелінійні спотворення, в схемах перетворення частоти.
Оптрон - напівпровідниковий прилад, що містить джерело і приймач світлового випромінювання, які оптично і конструктивно пов'язані між собою. Елементами оптрона є джерело світла і фотоприймач, але існують оптрони, що складаються з великої кількості електросветових і фотоелектричних перетворювачів. Оптрон являє собою поєднання в одному корпусі електросветового перетворювача (лампочки розжарювання, світлодіоди) з фотоелектричним (фоторезистором, фотодіодів). Такий оптрон дозволяє, приміром, при повній електричної ізоляції двох ланцюгів здійснювати управління струмом в одного ланцюга шляхом зміни струму в інший (дистанційне вмикання, регулювання гучності, АРУ і т.п.). Поряд з елементарним оптронів створюються складні конструкції, що включають в себе велику кількість електросветових і фотоелектричних перетворювачів. Такі оптрони аналогічні інтегральних мікросхем. Вони дозволяють виконувати логічну обробку великої кількості сигналів, відтворювати складні функції підсилення, генерації і перетворення електричних сигналів.
Тиристор - електропреобразовательний напівпровідниковий прилад, що містить три або більше р-п-переходу. За кількістю зовнішніх електродів тиристори діляться на: двохелектродні - діністори і трьохелектродні - тріністор. Ті й інші являють собою чотирьохшарову структуру напівпровідника з різного виду проводимостями. Крайні шари є анодом і катодом, а третій електрод у тріністоров служить керуючим електродом. Тому діністори є переключающими діодами, а тріністор - керованими. Якщо такий прилад включити в ланцюг змінного струму, то він відкривається, пропускаючи струм в навантаження лише тоді, коли миттєве значення напруги досягає певного рівня, або при подачі отпирающего напруги на спеціальний керуючий електрод. Малопотужні тиристори знаходять застосування в імпульсній техніці. Випускаються потужні тиристори для застосування в пристроях керування електроприводом і в потужних випрямлячах.
Фототиристори відрізняється від звичайного тим, що в його корпусі є вікно для опромінення структури світловим потоком. Тому фототиристори можна відмикати як впливом світлового потоку, так і подачею на керуючий електрод електричного імпульсу управління. Рівень випромінювання, необхідний для запуску фототиристори, залежить від температури і анодної напруги. Для точного запуску фототиристори використовують випромінювання лазерів і світлодіодів. Застосовуються фототиристори в тих областях, де необхідна електрична ізоляція між керуючим сигналом силовим ланцюгом.
Терморезистор - напівпровідниковий прилад, електричний опір якого змінюється при зміні температури. Основою терморезисторов є полікристалічні напівпровідникові матеріали з електронною провідністю - оксиди так званих перехідних металів (від титану до цинку), а також сульфіди, карбіди і нітриди деяких металів.
Використовуються терморезистори в якості датчиків пристроїв протипожежної сигналізації, теплового захисту, для стабілізації струмів і температурної компенсації в транзисторної апаратури.
Напівпровідниковий світлодіод - це випромінюючий напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання. Конструкцією світлодіода передбачена можливість виведення світлового випромінювання з області переходу крізь прозоре скло в корпусі.
Світлодіоди використовуються як індикатори, джерела випромінювання в оптоелектронних парах, при роботі з кіно-та фототехнікою, в пристроях автоматики, обчислювальної та вимірювальної техніки.
Умовні позначення напівпровідникових приладів:
Література
1). Виноградов Ю.В. "Основи електронної та напівпровідникової техніки". Вид. 2-е, доп. М., "Енергія", 1972 р.
2). Журнал "Радіо", номер 12, 1978 р.
3). Терещук Р.М. Напівпровідникові приймально-підсилювальні пристрої: Довідник радіоаматора / 4-е видання, стер. - Київ: Наук. Думка 1989.
4). Бочаров Л.М. Польові транзистори. - М.: Радіо і зв'язок, 1984.
5). Напівпровідникові прилади: транзистори: Довідник / М. М. Горюнова. М.; Вища школа, 1985.
6). Довідник "Напівпровідникові прилади: діоди, тиристори, оптоелектронні прилади"; М.: Вища школа, 1987р.
Україна
Реферат на тему:
Застосування напівпровідникових приладів
Виконав:
учень 10-В класу
Середній Загальноосвітньої
Школи № 94
Гладков Євген
Перевірила:
Іванова
Ольга Петрівна
м. Харків, 2004.
Напівпровідникові прилади - різноманітні за конструкцією, технології виготовлення і функціональному призначенню електронні прилади, засновані на використанні властивостей напівпровідників. До напівпровідниковим приладам відносять також напівпровідникові мікросхеми, які являють собою монолітні закінчені функціональні вузли (підсилювач, тригер, набір елементів), усі компоненти яких виготовляються в єдиному технологічному процесі.
Напівпровідники - речовини, електронна провідність яких має проміжне значення між провідністю провідників і діелектриків. До напівпровідників відноситься велика група природних і синтетичних речовин різної хімічної природи, твердих і рідких, з різними механізмами провідності. Найбільш перспективними напівпровідниками в сучасній техніці є так звані електронні напівпровідники, провідність яких обумовлена рухом електронів. Однак на відміну від металевих провідників концентрація вільних електронів у напівпровідниках дуже мала і зростає з підвищенням температури, чим пояснюється їх знижена провідність і специфічна залежність від питомого опору і температури: якщо у металевих провідників при нагріванні електричний опір підвищується, то в напівпровідників воно знижується. Збільшення концентрації вільних електронів з підвищенням температури пояснюється тим, що зі збільшенням інтенсивності теплових коливань атомів напівпровідників все більша кількість електронів зривається з зовнішніх оболонок цих атомів і отримує можливість переміщатися за обсягом напівпровідника. У перенесенні електрики через напівпровідники, крім вільних електронів можуть приймати участь місця, що звільнилися від перейшли у вільний стан електронів - так звані дірки.
Тому і вільні електрони і дірки називають носіями електричного заряду, причому дірці приписують позитивний заряд, рівний заряду електрона. В ідеальному напівпровіднику утворення вільних електронів і дірок відбувається одночасно, парами, а тому концентрації електронів і дірок однакові. Введення ж в напівпровідник певних домішок здатне призвести до збільшення концентрації носіїв одного знака і сильно підвищити провідність. Це відбувається за умови, що на зовнішній оболонці атомів домішки перебуває на один електрон більше (донорні домішки) або на один електрон менше (акцепторні домішки), ніж в атомів вихідного напівпровідника. У першому випадку домішкові атоми (донори) легко віддають зайвий електрон, а в другому (акцептори) - забирають відсутній електрон від атомів напівпровідника, створюючи дірку. Для найбільш поширених напівпровідників (кремнію і германію), що є чотиривалентний хімічними елементами, донорами служать пятивалентной речовини (фосфор, миш'як, сурма), а акцепторами - тривалентні (бор, алюміній, індій). У залежності від переважного типу носіїв домішкові напівпровідники ділять на напівпровідники електронного (п-типу) і діркового (р-типу).
Залежність електропровідності напівпровідника від різних зовнішніх впливів служить основою різноманітних технічних приладів. Так, зменшення опору використовується термисторах, зменшення опору при висвітленні-в фоторезистора. Поява ЕРС при проходженні струму через напівпровідник, поміщений в магнітне поле (ефект Холла) застосовується для вимірювання магнітних полів, потужності і т.д. Особливо цінними властивостями володіють неоднорідні напівпровідники (зі змінною від однієї частини обсягу до іншої провідністю), а також контакти різних напівпровідників між собою і напівпровідників з металами. Виникаючі в таких системах ефекти найбільш яскраво проявляються у електронно-діркових переходів (р-п-переходом). Використання р-п-переходів лежить в основі дії багатьох напівпровідникових приладів: транзистора, напівпровідникового діода, напівпровідникового фотоелемента, термоелектричного генератора, сонячної батареї.
60-ті - 70-ті роки становлять епоху напівпровідникової техніки і власне електроніки. Електроніка впроваджується в усі галузі науки, техніки і народного господарства. Будучи комплексом наук, електроніка тісно пов'язана з радіофізикою, радіолокацією, радіонавігації, радіоастрономії, радіометеорологів, радіоспектроскопії, електронної обчислювальної і керуючої технікою, радіоуправлінням на відстані, телевимірювань, квантової радіоелектронікою.
У цей період тривало подальше удосконалення електровакуумних приладів. Велика увага приділяється підвищенню їх міцності, надійності, довговічності. Розроблялися пальчикові і надмініатюрні лампи, що давало можливість знизити габарити установок, які налічують велику кількість радіоламп.
Тривали інтенсивні роботи в області фізики твердого тіла і теорії напівпровідників, розроблялися способи одержання монокристалів напівпровідників, методи їх очищення та введення домішок. Великий внесок у розвиток фізики напівпровідників внесла радянська школа академіка А. Ф. Іоффе.
Напівпровідникові прилади швидко і широко поширилися за 50-ті-70-ті роки в усі галузі народного господарства. У 1926 р. був запропонований напівпровідниковий випрямляч змінного струму з закису міді. Пізніше з'явилися випрямлячі з селену та сірчистої міді. Бурхливий розвиток радіотехніки (особливо радіолокації) в період другої світової війни дало новий поштовх до досліджень в галузі напівпровідників. Були розроблені точкові випрямлячі змінних струмів НВЧ на основі кремнію і германію, а пізніше з'явилися площинні германієві діоди. У 1948 р. американські вчені Бардін і Браттейн створили германієвий точковий тріод (транзистор), придатний для посилення і генерування електричних коливань. Пізніше був розроблений кремнієвий точковий тріод. На початку 70-х років точкові транзистори практично не застосовувалися, а основним типом транзистора був площинний, вперше виготовлений в 1951 р. До кінця 1952 р. були запропоновані площинний високочастотний тетрод, польовий транзистор і інші типи напівпровідникових приладів. У 1953 р. був розроблений дрейфовий транзистор. У ці роки широко розроблялися та досліджувалися нові технологічні процеси обробки напівпровідникових матеріалів, способи виготовлення pn-переходів і самих напівпровідникових приладів. На початку 70-х років, крім площинних і дрейфових германієвих і кремнієвих транзисторів, знаходили широке поширення й інші прилади, що використовують властивості напівпровідникових матеріалів: тунельні діоди, керовані і некеровані чотиришарові перемикаючі прилади, фотодіоди та фототранзистори, варикапи, терморезистори і т.д.
Розвиток і вдосконалення напівпровідникових приладів характеризується підвищенням робочих частот і збільшенням допустимої потужності. Перші транзистори володіли обмеженими можливостями (граничні робочі частоти порядку сотні кілогерц та потужності розсіювання близько 100 - 200 МВт) і могли виконувати лише деякі функції електронних ламп. Для того ж діапазону частот були створені транзистори з потужністю в десятки ватт. Пізніше були створені транзистори, здатні працювати на частотах до 5 МГц і розсіювати потужність порядку 5 Вт, а вже в 1972 р. були створені зразки транзисторів на робочі частоти 20 - 70 МГц з потужностями розсіювання, що досягають 100 Вт і більше. Малопотужні ж транзистори (до 0,5 - 0,7 Вт) можуть працювати на частотах понад 500 МГц. Пізніше з'явилися транзистори, що працюють на частотах порядку 1000 МГц. Одночасно велися роботи з розширення діапазону робочих температур. Транзистори, виготовлені на основі германію, мали спочатку робочі температури не вище +55 ¸ 70 ° С, а на основі кремнію - не вище +100 ¸ 120 ° С. Створені пізніше зразки транзисторів на арсеніді галію виявилися працездатними при температурах до +250 ° С, і їх робочі частоти в підсумку збільшилися до 1000 МГц. Є транзистори на карбіді, що працюють при температурах до 350 ° С. Транзистори і напівпровідникові діоди за багатьма показниками у 70-ті роки переважали електронні лампи і в підсумку повністю витіснили їх з областей електроніки. У інтегральної електроніці МДП-структури широко використовуються для створення транзисторів і на їх основі різних інтегральних мікросхем.
Перед проектувальниками складних електронних систем, які мають десятки тисяч активних і пасивних компонентів, стоять завдання зменшення габаритів, ваги, споживаної потужності і вартості електронних пристроїв, поліпшення їх робочих характеристик і, що найголовніше, досягнення високої надійності роботи. Ці завдання успішно вирішує мікроелектроніка - напрям електроніки, що охоплює широкий комплекс проблем і методів, пов'язаних з проектуванням та виготовленням електронної апаратури в мікромініатюрних виконання за рахунок повного або часткового виключення дискретних компонентів.
Основною тенденцією мікромініатюризації є "інтеграція" електронних схем, тобто прагнення до одночасного виготовлення великої кількості елементів і вузлів електронних схем, нерозривно пов'язаних між собою. Тому з різних областей мікроелектроніки найбільш ефективною виявилася інтегральна мікроелектроніка, яка є одним з головних напрямків сучасної електронної техніки. Зараз широко використовуються надвеликі інтегральні схеми, на них побудовано все сучасне електронне устаткування, зокрема ЕОМ і т.д.
Термін служби напівпровідникових тріодів і їх економічність у багато разів більше, ніж в електронних ламп. За рахунок чого транзистори знайшли широке застосування в мікроелектроніці - тілі-, відео-, аудіо-, радіоапаратуру і, звичайно ж, у комп'ютерах. Вони заміняють електронні лампи в багатьох електричних ланцюгах наукової, промислової і побутової апаратури.
Біполярний транзистор - універсальний напівпровідниковий підсилювальний прилад, що виконує ті ж функції, що і електронна лампа з керуючою сіткою. За аналогією з лампою, біполярний транзистор називають напівпровідниковим тріодом. Його дія заснована на використанні особливих властивостей неоднорідних напівпровідників. Особливість транзистора полягає в тому, що між електронно-дірковий переходами існує взаємодія - струм одного з переходів може керувати струмом іншого.
Крім посилення електричних коливань, біполярні транзистори широко використовуються як безконтактні комутаційні пристрої, в різноманітних генераторних схемах, для перетворення та детектування коливань, причому від відповідних лампових пристроїв схеми з біполярними транзисторами відрізняються мініатюрністю, високою економічністю харчування, великою механічною міцністю, миттєвою швидкістю до дії, великою довговічністю. Максимальні робочі частоти самих високочастотних біполярних транзисторів перевищують 10000 МГц, найбільші потужності - приблизно 200-250 Вт. До недоліків біполярних транзисторів відноситься суттєва температурна залежність їх характеристик.
Основні матеріали, з яких виготовляють транзистори - кремній і германій, перспективні - арсенід галію, сульфід цинку і широкозонних провідники.
Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, в якому струм змінюється в результаті дії перпендикулярного струму електричного поля, створюваного сигналом. Польовий транзистор вирізняється від біполярного тим, що використовується в ньому механізм посилення обумовлений носіями заряду тільки одного знаку (електронами або дірками). Польовий транзистор називають також канальним і уніполярних транзистором.
Польові транзистори мають ВАХ (вольт-амперні характеристики), подібні ламповим, і володіють всіма принциповими перевагами транзисторів. Це дозволяє застосовувати їх у схемах, в більшості випадків використовувалися електронні лампи, наприклад, в підсилювачах постійного струму з високоомним входом, в істоковий повторювачах з особливо високоомним входом, в електрометричних підсилювачах, різних реле часу, RS - генераторах синусоїдальних коливань низьких і інфранизьких частот, у генераторах пилкоподібних коливань, підсилювачах низької частоти, що працюють від джерел з великим внутрішнім опором, в активних RC - фільтри низьких частот. Польові транзистори з ізольованим затвором використовують у високочастотних підсилювачах, змішувачах, ключових пристроях.
Польові транзистори мають вольт-амперні характеристики, подібні ламповим, і володіють усіма принциповими перевагами транзисторів.
Напівпровідниковий діод - двохелектродні напівпровідниковий прилад, дія якого заснована на використанні властивостей електронно-діркового переходу. Основна властивість напівпровідникового діода - одностороння провідність, що дозволяє застосовувати напівпровідникові діоди в якості випрямлячів змінного струму. Прообразом сучасних напівпровідникових діодів був кристалічний детектор, що складається з кристала (карборунда, цинкита) та металевої пружинки, вістря якої притискалося до поверхні кристала. Ефект випрямлення у таких детекторів залежав від обраної точки дотику пружинки з кристалом і відзначався великою нестійкістю, що вимагало періодичних пошуків "чутливою" точки. У сучасних точкових напівпровідникових діодах використовуються пластинки із кристалів кремнію або германію, а контакт металевої голки з напівпровідником піддається особливій електричної формуванні. Ці заходи поряд із застосуванням герметичної оболонки забезпечують більшу стабільність і довговічність точкових напівпровідникових діодів. Крім детектування радіосигналів всіх частот аж до сотень тисяч МГц, точкові напівпровідникові діоди застосовуються для перетворення частоти, у вимірювальній радіоапаратурі і т.д. і т.п. Найбільш обширну групу напівпровідникових діодів утворюють площинні діоди, в яких електронно-дірковий перехід створюється тими ж методами, що і в площинних транзисторах: вплавление домішок, шляхом дифузії домішкових речовин в обсяг вихідної платівки. Напівпровідникові діоди застосовуються також для багатьох інших цілей, в тому числі для селекції імпульсів певної полярності, для стабілізації напруги, в якості керованого конденсатора і ін Особливими різновидами напівпровідникового діода є перемикаючі діоди з трьома р-п-переходами, двухбазовий діод (застосовують головним чином в імпульсних пускових схемах) і тунельний діод, фотодіод і звернений діод.
Тунельний діод - двохелектродні діод напівпровідниковий прилад, який застосовується для підсилення і генерування високочастотних електричних коливань і в якості швидкодіючого перемикача в імпульсних та електронних логічних пристроях. Принцип роботи тунельних діодів заснований на явищі квантовомеханічного тунельного ефекту. Тунельні діоди застосовуються в широкополосних підсилювачах, для посилення і генерування високочастотних електричних коливань і в якості швидкодіючого перемикача в імпульсних та електронних логічних пристроях.
Фотодіод - напівпровідниковий фотоелектричний прилад з внутрішнім фотоефектом, що відображає процес перетворення світлової енергії в електричну. Внутрішній фотоефект полягає в тому, що під впливом енергії світлового випромінювання в області р-п-переходу відбувається іонізація атомів основної речовини і суміші, в результаті чого генеруються пари носіїв заряду - електрон і дірка. У зовнішній ланцюга, приєднаної до р-п-переходу, виникає струм, викликаний рухом цих носіїв. Промисловість випускає германієві і кремнієві фотодіоди. Різновид фотодіода, використовуваного для силового перетворення променистої енергії, - сонячна батарея, яка є важливим джерелом живлення в космічній техніці, але знаходить застосування для живлення апаратури і в земних умовах.
Напівпровідниковий стабілізатор напруги (стабілітрон) - це кремнієвий площинний напівпровідниковий діод, напруга на якому зберігається з певною точністю при протіканні через нього струму в заданому діапазоні. Тобто, якщо стабілітрон розрахований на прібівное напруга 4,5 в і напругу до стабілітрона було, припустимо, 5в, то після нього його значення буде не більше 4,5 в. Якщо напруга, на яке розрахований стабілітрон, у кілька разів менше напруги на ділянці до нього, то він буде сильно грітися, не виключена і його псування (він згорить). Стабілітрони виготовляються для стабілізації напруги від 3 до сотень вольт, завдяки чому знаходять велике застосування в радіотехніці для стабілізації напруги. Щоб уникнути псування стабілітрона послідовно з ним включається обмежує струм резистор.
Варикап - спеціально сконструйований напівпровідниковий діод, застосовуваний як конденсатора змінної ємності. Значення ємності варикапа визначається ємністю р-п-переходу і змінюється при зміні прикладеної до переходу (до діода) напруги. З електричного кола з варикапом, з'являються складові струму нових частот. Це явище використовується в радіотехніці для множення і ділення частоти, для параметричного підсилення. Варикап може також використовуватись для налагодження конфігурації коливального контуру, для автоматичного підстроювання частоти та частотної модуляції.
Варистор - напівпровідниковий прилад, опір якого змінюється по нелінійному закону при зміні прикладеної напруги. До варистора відносяться більшість напівпровідникових, електронних і іонних приладів. Найчастіше варистори застосовуються для захисту елементів електричних схем від перенапруг і контактів реле від руйнування, а також у стабілізаторах амплітуди як елементи, що знижують нелінійні спотворення, в схемах перетворення частоти.
Оптрон - напівпровідниковий прилад, що містить джерело і приймач світлового випромінювання, які оптично і конструктивно пов'язані між собою. Елементами оптрона є джерело світла і фотоприймач, але існують оптрони, що складаються з великої кількості електросветових і фотоелектричних перетворювачів. Оптрон являє собою поєднання в одному корпусі електросветового перетворювача (лампочки розжарювання, світлодіоди) з фотоелектричним (фоторезистором, фотодіодів). Такий оптрон дозволяє, приміром, при повній електричної ізоляції двох ланцюгів здійснювати управління струмом в одного ланцюга шляхом зміни струму в інший (дистанційне вмикання, регулювання гучності, АРУ і т.п.). Поряд з елементарним оптронів створюються складні конструкції, що включають в себе велику кількість електросветових і фотоелектричних перетворювачів. Такі оптрони аналогічні інтегральних мікросхем. Вони дозволяють виконувати логічну обробку великої кількості сигналів, відтворювати складні функції підсилення, генерації і перетворення електричних сигналів.
Тиристор - електропреобразовательний напівпровідниковий прилад, що містить три або більше р-п-переходу. За кількістю зовнішніх електродів тиристори діляться на: двохелектродні - діністори і трьохелектродні - тріністор. Ті й інші являють собою чотирьохшарову структуру напівпровідника з різного виду проводимостями. Крайні шари є анодом і катодом, а третій електрод у тріністоров служить керуючим електродом. Тому діністори є переключающими діодами, а тріністор - керованими. Якщо такий прилад включити в ланцюг змінного струму, то він відкривається, пропускаючи струм в навантаження лише тоді, коли миттєве значення напруги досягає певного рівня, або при подачі отпирающего напруги на спеціальний керуючий електрод. Малопотужні тиристори знаходять застосування в імпульсній техніці. Випускаються потужні тиристори для застосування в пристроях керування електроприводом і в потужних випрямлячах.
Фототиристори відрізняється від звичайного тим, що в його корпусі є вікно для опромінення структури світловим потоком. Тому фототиристори можна відмикати як впливом світлового потоку, так і подачею на керуючий електрод електричного імпульсу управління. Рівень випромінювання, необхідний для запуску фототиристори, залежить від температури і анодної напруги. Для точного запуску фототиристори використовують випромінювання лазерів і світлодіодів. Застосовуються фототиристори в тих областях, де необхідна електрична ізоляція між керуючим сигналом силовим ланцюгом.
Терморезистор - напівпровідниковий прилад, електричний опір якого змінюється при зміні температури. Основою терморезисторов є полікристалічні напівпровідникові матеріали з електронною провідністю - оксиди так званих перехідних металів (від титану до цинку), а також сульфіди, карбіди і нітриди деяких металів.
Використовуються терморезистори в якості датчиків пристроїв протипожежної сигналізації, теплового захисту, для стабілізації струмів і температурної компенсації в транзисторної апаратури.
Напівпровідниковий світлодіод - це випромінюючий напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання. Конструкцією світлодіода передбачена можливість виведення світлового випромінювання з області переходу крізь прозоре скло в корпусі.
Світлодіоди використовуються як індикатори, джерела випромінювання в оптоелектронних парах, при роботі з кіно-та фототехнікою, в пристроях автоматики, обчислювальної та вимірювальної техніки.
Умовні позначення напівпровідникових приладів:
Література
1). Виноградов Ю.В. "Основи електронної та напівпровідникової техніки". Вид. 2-е, доп. М., "Енергія", 1972 р.
2). Журнал "Радіо", номер 12, 1978 р.
3). Терещук Р.М. Напівпровідникові приймально-підсилювальні пристрої: Довідник радіоаматора / 4-е видання, стер. - Київ: Наук. Думка 1989.
4). Бочаров Л.М. Польові транзистори. - М.: Радіо і зв'язок, 1984.
5). Напівпровідникові прилади: транзистори: Довідник / М. М. Горюнова. М.; Вища школа, 1985.
6). Довідник "Напівпровідникові прилади: діоди, тиристори, оптоелектронні прилади"; М.: Вища школа, 1987р.