Плавкий предохранитель вставляют в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь ток, потребляемый цепью. Пока ток не превышает допустимой нормы, проволока предохранителя чуть теплая или совсем холодная. Но как только в цепи появится недопустимо большая нагрузка или произойдет короткое замыкание, ток резко возрастет, расплавит проволоку и цепь автоматически разорвется. Патрон плавкого предохранителя, используемого в осветительной электросети, устроен так же, как патрон электролампы. В него ввертывают фарфоровую «пробку» (рис. 76 — слева), внутри которой имеется свинцовая проволока. Один конец ее припаян к металлическому донышку пробки, а Другой — к металлическому цилиндру с резьбой, которым предохранитель ввертывают в патрон.
Проволока плавкого предохранителя радиоконструкции (на рис. 76 — справа) заключена в стеклянную трубочку и концами припаяна к металлическим колпачкам, выполняющим роль контактов. Этими контактами предохранитель вставляют в специальный патрон (держатель) или между двумя маталлическими стоечками, к которым подведены провода защищаемой от перегрузок сети.
|
Ш Пр Рис. 76. Плавкие предохранители и йх изображение на схемах.
Причину, вызвавшую перегорание предохранителя, надо найти, устранить, и только после этого можно вставлять в электрическую цепь новый предохранитель.
* ♦
♦
На этом я прерываю беседу. Но «экскурсия» в электротехнику Щё пё закончена. Впереди — другие электрические явления и приборы, с которыми тебе придется иметь дело.
Беседа пятая
О ПОЛУПРОВОДНИКАХ и ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радио- электроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы. Да, наступила эра полупроводниковой техники. И не только в радиоэлектронике.
Предком одного из наиболее характерных представителей «армии» современных полупроводниковых приборов — транзистора — был так называемый генерирующий детектор, изобретенный еще в 1922 г. советским радиофизиком О. В. Лосевым. Прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примыкающими к нему проволочками-проводниками, при определенных условиях мог генерировать и усиливать электрические колебания. Но он тогда из-за несовершенства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного транзистором, создали в 1948 г. американские ученые Браттэйн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, Л. Д. Ландау, Б. И. Давыдов, В. Е. Лашкарев и ряд других ученых и инженеров, многие научные коллективы.
Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полупроводниковых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разобраться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где говорится о строении атомов.
Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и непроводниками тока. Причем к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний.
Каковы наиболее характерные свойства полупроводников? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (—273°С), они вед>т себя как изоляторы. Большинство проводников, наоборот, при таких температурах становятся сверхпроЕодимыми, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Проводимость проводников не изменяется при действии на них света. Проводимость же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводимость, улучшается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это свойство совершенно чуждо. Электропроводность полупроводников резко улучшается при введении в них атомов некоторых других элементов. Проводимость же проводников при введении в них примесей ухудшается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко пользоваться ими стали совсем недавно.
Германий и кремний, являющиеся исходными материалами современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Запомни: четыре! Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом.
В полупроводнике атомы расположены в очень строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно изобразить в виде плоской схемы, как показано на рис. 77. Здесь большие шарики со знаком «+» условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним атомом двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован от «соседа». Это двухэлектронная или валентная связь. Самая прочная связь!
В свою очередь внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.
|
Рис. 77. Плоскостная схема взаимо- Рис. 78. Упрощенная схема структуры связи атомов в кристалле полупровод- полупроводника. ника.. |
|
Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить^ изобразив ее так, как это сделано на рис. 7& Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКА
При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Но при повышении температуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 78 — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют «д ы р к о й» (на рис. 78 — разорвавшаяся линия электрона). Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному заряду электрона.
|
ИапраВленае перемещения электронов |
!+ |
+ |
Направление перемещения дырок |
г) |
Рис. 79. Схема движения электронов и дырок в полупроводнике. |
+ |
+ |
А теперь рассмотри рис. 79. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной появления тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику (на рис. 79 напряжения символизируют знаки «+» и «—»). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов {на рис. 79 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освободившиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей, на некотором удалении от поло-
зкительного полюса тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 79, а) — происходит заполнение некоторых межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 79, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи—в дырки «впрыгивают»' электроны, освободившиеся из каких-то других межатомных связей (рис. 79, б — г).
Рассматривая эти схемы, ты, конечно, заметил: электроны движутся в направлении от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному. Это явление можно сравнить с такой хорошо знакомой тебе картиной. Стоит пионерский строй. Несколько ребят вышло из строя: образовались пустые места — дырки. Вожатый подает команду: «Сомкнуть строй!». Ребята по очереди делают шаг вправо, заполняя пустые места. Что получается? Ребята один за другим перемещаются к правому флангу, а пустые места — в сторону левого фланга.
Замечу: в отсутствие внешних электрических сил при температуре выше абсолютного нуля непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки, но в этих условиях они движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника.
В чистом полупроводнике число высвобождающихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, называемая собственной, мала. Иными словами, такой полупроводник оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже Ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Чем различаются эти два типа электропроводности?
Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом-«пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с электронной проводимостью. Их называют также полупроводниками с проводимостью /i-типа или, еще короче, полупроводниками /i-типа. Здесь латинская буква п — начало латинского слова «negative» (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике л-типа основными носителями тока являются отрицательные заряды, т. е. электроны.
Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например атомы индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым атомом у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким-либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем будет дырок.
Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же поступившие в полупроводник электроны извне движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Полупроводники, обладающие таким свойством, называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками /7-типа. Латинская буква р — первая буква латинского слова «positive» (позитив), что значит «положительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника р-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока:
Полупроводники р-типа, так же как и полупроводники /i-типа, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сранению с чистыми полупроводниками.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и полупроводников с абсолютной проводимостью л-типа или /7-типа. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, создающих электронную проводимость, а в полупроводнике с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную проводимость. Например, в полупроводнике, имеющем в целом проводимость л-типа, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электро
проводность полупроводника несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет иметь место, если в полупроводник с дырочным характером электропроводности попадут атомы индия. Поэтому к полупроводникам л-типа относят такие полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная проводимость), а к полупрозодникам /7-типа — полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная проводимость).
Теперь, когда ты имеешь некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, тебе нетрудно будет пенять принцип действия полупроводниковых приборов.
Начнем с предшественников транзистора — полупроводниковых диодов.
ДИОДЫ
Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает проводимость /7-типа, а другая - л-типа. На рис. 80, а дырки, преобладающие в пластинке /7-типа, условно изображены кружками,
Ч) в) Рис. 80. Принцип устройства и работы полупроводникового диода. |
|
р | п |
-ю |
|
-ю | |
-ю |
|
-*о | щ •*- |
-ю | 'п т*- |
1обр |
а электроны, преобладающие в пластинке я-типа,— черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т. е. положительным электродом, является область /?-типа, а катодом, т. е. отрицательным электродом, — область л-типа. На внешние поверхности пластинок нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.
Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к электродам диода подключить батарею так, чтобы ее положительный полюс был соединен с анодом диода, т. е. с областью /7-типа, а отрицатель- ный — с катодом, т. е. с областью л-типа (рис. 80, 6), то диод окажется в открытом состоянии и в образовавшейся цепи пойдет ток, величина которого зависит от свойств диода и приложенного к нему напряжения. При такой полярности подключения батареи электроны в области л-типа перемещаются от Минуса к плюсу, т. е. в сторону области /7-типа, а дырки в области р-типа Движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно-дырочным переходом или, короче, /7-л переходом, электроны как бы «впрыгивают» в дырки, в результате и те и другие при встрече прекращают свое существование. Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом батареи, может отдать
области «-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убыль электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом батареи, может принять из области /?-типа такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-п перехода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р-п перехода и напряжение батареи, тем больше прямой ток.
Если полюсы батареи поменять местами, как это показано на рис. 80, 6t диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р-п перехода, электроны в области л-типа будут перемещаться к положительному, а дырки в области р-типа — к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами проводимости как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 80, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший чем прямой. Этот ток называют обратным током диода.
На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают /пр, а обратный /обр.
А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток /пр, и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — обратный ток /обр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут £/пр) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный.ток, называют обратным (пишут £/обр) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление хорошего диода не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом..В этом нетрудно убедиться, если измерить сопротивления диода омметром.
Внутреннее сопротивление диода — величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например; если через диод идет прямой ток /пр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = U/I= 1/0,1 = 10 Ом.
При закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико.
Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, именуемой вольт-амперной характеристикой диода. Такую характеристику ты видишь на рис. 81. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока /пр, а вниз — значения обратного тока /обр. По горизонтальной оси вправо обозначены величины прямого напряжения £/пр, влево — обратного напряжения Uo6p.
На таком графике различают прямую ветвь (в правой верхней части),- соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответствующую обратному току через диод. Из характеристики видно, что ток /пр
диода в сотни раз больше тока /0£р. Так, например, у диода, имеющего такую вольт-амперную характеристику, уже при прямом напряжении £/пр = 0,5 В ток /пр равен 50 мА (точка а на характеристике), при Unp = 1 В он возрастает до 150 мА (точка б на характеристике), а при обратном напряжении Сгобр = 100 В обратный ток /0бр не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитай, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше обратного.
|
|
Рис. 82. Работа диода как преобразователя переменного тока в постоянный ток. |
Рис. 81. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
-■120 ~80 I—Н—h
|
Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видишь, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов.
Примерно такие вольт-амперные характеристики имеют все полупроводниковые диоды.
Работу диода как преобразователя переменного тока в ток постоянный иллюстрируют графики на рис. 82. При положительных полупериодях на аноде диод открывается. В эти моменты времени (/) через диод, а значит, и во всей цепи, в которую он включен, течет прямой ток /пр. При отрицательных полу- периодах на аноде диод закрывается и в цепи течет незначительный обратный ток диода /обр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 82 показано штриховыми линиями). И вот результат: в цепи, в которую включен диод, течет уже не переменный, а пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по величине с частотой переменного тока. Это и есть выпрямление переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является Односторонним проводником тока.
Прибор, на примере которого я рассказал тебе о работе и свойствах диода, состоял из двух пластинок полупроводников разной электропроводности, соединенных по плоскостям. Подобные диоды называют плоскостными.
В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластинку полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропро
водности. Технология изготовления плоскостных диодов такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2—4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости
|
Рис. 83. Схематическое устройство (а) и внешний вид (б) некоторых плоскостных диодов. |
Полупроводник п -типи
|
(рис. 83, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними р-п переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск (или стержень) с выводными проводниками.
Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых диодов показан на рис. 83, б. Приборы заключены в цельнометаллические корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на выпрямление значительных токов, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси.
Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею,—заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока, их называют выпрямительными диодами.
Теперь о точечном диоде.
Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в сильно увеличенном виде) показаны на рис. 84. Это диод типа Д9. Буква «Д» в его маркировке означает «диод», а цифра «9» — порядковый заводской номер конструкции. Такой или ему подобный диод, например Д2, тебе уже знаком — я рекомендовал использовать его в твоем первом приемнике в качестве детектора. Выпрямительным элементом такого прибора служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм2) пластинка полупроводника германия или кремния и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластинку полупроводника. Они припаяны к посеребренным проволочкам длиной 50 мм, являющимся выводами диода. Вся эта конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов.
После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластинкой и проволочкой ток определенной величины. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной
проводимостью. Получается электронно-дырочный переход, обладающий одно- Проволочный вывод анода типа Д9 обозначен красной меткой на его одном из его ленточных выводов. У точечного диода площадь Точечные диоды радиолюбите- Как для плоскостных, так и для в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоскостных А теперь, чтобы лучше закрепить в памяти твое представление о свой- |
4 В. Г. Борисов |
Полупроводник пчлипа ^ р-п переход |
Рис. 84. Германиевый точечный диод типа Д9. |
|
Цдгтная метка‘ |
|
|
Рис. 85. Опыты с плоскостным диодом. |
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 24 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
