М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 2

((т) Транзистор усиливает ток, текущий через тело, так что лампа светится. Теперь посмотрим на схему, представленную на рис. 1.3(о), где лампа включена в коллекторную цепь транзистора. Возьмите снова свободные провода в руки; на этот раз небольшой ток течет через сопротивление вашего тела от батареи в базу транзистора. Транзистор действует как усилитель тока, и лампа будет светиться, хотя тускло. Увлажнение кожи уменьшает ее сопротивление и дает лучший результат. Слабый ток, протекающий через ваше тело, вызывает в несколько сот раз больший ток через лампу. Цепь, приведенная на рис.

1.4(а), дает еще один пример использования 8 Усиление и транзисторы транзистора для создания простого светового выключателя. В базовую пень транзистора включен кадмиево-сульфидный фотоэлемент ОКР!2, который ведет себя как резистор, сопротивление которого зависит от освешенности. Когда фотоэлемент находится в темноте, его сопротивление составляет несколько мегаом и через транзистор течет пренебрежимо малый ток. При достаточно ярком освещении сопротивление фотоэлемента падает до нескольких килоом и базовый ток порядка миллиампера вызывает свечение лампы благодаря усилению транзистора, (а! овен Фоюравиаюр Баварии в пари Бввврвв пв Полка Вивоои ивова Рис. !.4.

(а) Лампа, управляемая светом. (Ь) Реле, управляемое светом. Повернув фотоэлемент к лампе, можно получить «электронную свечу»: если лампа выключена, а на фотоэлемент на короткое время попадает свет, то она включится и будет светить, поскольку ток освещенного фотоэлемента будет поддерживать это свечение. Чтобы погасить «свечу», необходимо просто преградить путь свету между лампой и фотоэлементом. На рис. !.4(Ь) коллекторный ток используется для управления катушкой Транзистор как усиливающее устройство 9 реле; контакты реле можно использовать для включения или выключения любого устройства, такого, например, как мотор для открывания дверей гаража, когда свет передних фар автомобиля освещает фотоэлемент ОРхр12.

Диод 11ч4148 1аналог КЙ521А — Прим. перев,), подключенный параллельно катушке реле, служит для ограничения выброса напряжения, возникающего в катушке индуктивности при выключении тока. Параллельно соленоиду, которым управляет транзистор, всегда должен быть подключен диод, иначе бросок напряжения может вызвать пробой транзистора. На рис. 1.5 показан способ еще большего увеличения коэффициента усиления тока.

Влслннс сысслы сл ба (ы СЭ Фсснсрнсснссср (нслрннср, тц. 78) тц. ъ Рис. ! .5. (а) Схема Дарлин(тона увеличивает коэффициент усиления тока. 1Ь) Подключение 4ютодиодв и фототрвнзисторв к схеме дврлинпонв. У схемы из двух транзисторов, известной как схема Дарлингтона, коэффициент усиления тока равен произведению коэффициентов усиления тока этих транзисторов. Это связано с тем, что ток базы транзистора Т, равен эмитгерному току транзистора Тг Если взяться руками за контакты 1 и 2, то лампа будет светить ярко: эта схема намного чувствительнее, чем приведен- 1О Усиление и транзисторы ная на рис.

1.4(а). Большое усиление тока означает, что в качестве датчиков света можно использовать фотодиод и фототранзистор, если подключить их так, как показано на рис. 1.5(о). Коэффициент усиления тока транзистора обычно обозначают символом й и его величина может принимать значения от 10 до 1000 в зависимости от типа транзистора. Коэффициент усиления тока транзистора ВС107 обычно лежит в диапазоне от 100 до 400, причем этот параметр не задается точно производителем. Для схемы Дарлингтона петя»вл = пгх1 "пге . 1.3 Введение в твердотелъну(о электронику 1.3.

1 Вступление Транзистор изготавливается из полупроводникового материала двух различных типов. Для понимания работы транзистора необходимо рассмотреть некоторые свойства этого необычного класса материалов, называемых полупроводниками. 1.3. 2 Полупроводники По своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники.

Класс, в который попадает тот или иной материал, зависит от поведения электронов на внешней орбите атома. В случае изолятора, такого как полиэтилен, эти валентные электроны прочно связаны с ядром и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводнике, таком как медь, очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны совсем слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют. Полупроводники являются необычными материалами. Полупроводником, чаше все применяемым в транзисторах, является кремний, хотя используется и германий. Оба эти элемента — четырехвалентные, то есть на внешней орбите их атомов находятся по четыре электрона.

Кристаллы кремния и германия имеют очень ясную и стройную структуру, благодаря которой атомы удерживаются вместе в устойчивом образовании; говорят, что устойчивость обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным (инертные газы находятся в таком состоянии).

Соседние атомы в кристалле кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в результате чего каждое ядро имеет «половинную долю» в восьми валентных электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными элект- Введение в твердотельную электлронику 11 ронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов кремния схематически показана на рис. 1.б(а); каждая из указанных на рисунке связей между атомами, представляет собой совместно используемый валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твер=О=О=Я-О= 4.Оь.Я.Я.Я+ =Я=О-О-О=О=О=О=О= по =О=О=О=О= =О-О=О=О= Н~ ~Н =Ой=Ой=О=Ой= Н Н~ 11,....11 =О=О=О'=О= Н Н 11 Н Рис. 1.б.

(а) Изображение ковалентных связей электрона в атомах кристалла кремния. (Ь) Та же решетка кристалла, что и на рис.(а), но со свободным электроном и дыркой, образованными тепловым возмушением. 12 Усиление и транзисторы дость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют такую же организацию ковалентных связей в кристалле. Алмаз действительно считается полупроводником, но прочность ковалентных связей, которая и обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой электропроводности. Какое счастье, что дпя транзисторов мы имеем намного лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы! 1.3.3 Электроны и дырки Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис.

1.6(а), существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из соседнего атома. На рис. 1.6(Ь) представлен участок кристаллической решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и получившейся дыркой.

Наличие свободных электронов делает кремний проводником электричества, хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные электроны появляются на отрицательном выводе и могут передвигаться по полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке.

Так устанавливается электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок и проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что фактором, ограничиваюшим проводимость, является уже не отсутствие свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла. При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов увеличивается и они в большей степени препятствуют движению свободных электронов.

Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется собственной проводимостью. 1.3.4 Проводимость полупроводника с примесями Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам. Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку, не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валент- ность этих атомов отличается от собственной валентности полупроводника, Введение в твердотельную электронику 13 проводимость кристалла значительно возрастает.

На рис. !.7 показан результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния. Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния, а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость.

Введение примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом проводимость называется лримесной проводимостью. Пятивалентные примеси, такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип легированных полупроводников называют полупроводниками и-типа. =О=О=О=О= -Оа=О-Ов=Я= -Я-О=О=О= =О=Я=Я=О= Рис 1.7. Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом фосфора алесь имеется свободный электрон, способствуюший проводимости 1полупроводник л-типа).

На рис. 1.8 показан эффект от введения в кремний трехвалентных атомов бора. Несмотря на то, что атом бора имеет только три валентных электрона, он принимает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния для заполнения его ковалентных связей. Это приводит к образованию в решетке дырки или отсутствия электрона, и такая дырка может перемешаться, участвуя, таким образом, в обеспечении проводимости.