Г. Юинг - Инструментальные методы химического анализа (1115206), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Мы не пытались выводить фундаментальные математические уравнения: более подробное обсуждение можно найти в работе !1) и других учебниках. Тем не менее приводимой информации достаточно, чтобы понять суть большинства проблем, связанных с устроиством приборов, о которых упоминалось в предыдущих главах. «Сердцем» любого электронного устройства служит один нли несколько элементов, которые воздействуют непосредственно на электроны. К таким элементам опюсятся разнообразные полупроводниковые устройства, в том числе диоды, транзисторы и фотоэлементы.
Этн активные элементы никогда но функционируют сами по себе; для их работы всегда требуются вспомогательные схемы, составленные пз большого числа сопротивлений, конденсаторов и индуктивностей. Необходимы также источники питания, которыми служат батареи или выпрямители переменного тока. Кроме того, в схему часто включают и другие элементы из соображений удобств илн безопасности — выключатели, предохранители н контрольные лампы. Б настоящее время элсктронныс схемы все н большен степени базнруготся па интегральных микросхемах (ИМС). Каждая ИМС заменяет большое число индивидуальных транзисторов и диодов, которые связаны в единое целое и расположены па небольшом кристалле («подложке») кремния.
ИМС смонтированы в одном корпусе и имеют до 40 соединительных выводов. Использование ИМС имеет ряд преимуществ в сравнении с ранее применявшимися отдельнымн транзисторами и дру- 552 Глава 27 гимн элементами. Пользователю не нужно самому конструировать такие сложные устройства, как логические элементы или операционные усилители; они разрабатываются для него изготовителем. Дополнительное достоинство заключается в том, что индивидуальные ИМС недороги и их' можно использовать для замены или создания новых приборов.
Полупроводники Полупроводником называют твердое вещество, промежуточное по свойствам между металлическими проводниками, с одной стороны, и непроводниками (изоляторами) — с другой. Ои характеризуется относительно высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, в то время как для металлов этот коэффициент положителен, что позволяет легко различать два типа проводников. В подавляющем большинстве случаев в качестве полупроводникового материала используется элементарный кремний. Германий используется вместо кремния только в особых случаях. В чистом кристалле кремния (нли германия) каждый атом ковалентно связан с каждым из четырех других атомов (структура алмаза), а так как каждый атом имеет четыре валентных электрона, все валентности при такой структуре насыщены.
Чтобы использовать кристалл в электронных устройствах, его следует легировать, т. е. ввести следовые количества примесей. Атомы примеси должны иметь такую природу, чтобы они могли заместить некоторые из атомов полупроводника в кристаллической решетке. Если примесь представляет собой пятивалентный элемент, например мышьяк или сурьму, каждый атом примеси обладает избыточным валентным электроном, помимо электронов, необходимых для образования ковалентных связей решетки. Избыточный электрон легко отрывается от своего «родительского» атома под действием тепловой энергии, а затем беспорядочно движется по всей решетке.
Атом примеси превращается в однозарядный положительный ион, внедренный в решетку. С другой стороны, если примесь представляет собой трехпалентный галлий, индий или золото, то возникает недостаток одного электрона на атом примеси, Образовавшееся вакантное место называется дыркой. Тепловые колебания электрона нормальной ковалептной связи могут случайно сблизить его с дыркой, так что он полностью уйдет с предыдущего места н рекомбинирует с ней, В результате такого процесса дырка перемещается вдоль решетки с одного места иа другое.
В легированном таким способом кристалле кремния дырки блуждают по всему кристаллу так же, как и избыточные электроны блуждают в кристалле, легированном мышьяком или сурьмой. Под- Электронные схемы в аналнтнческнх прнборах 553 вижность дырок, однако, несколько меньше подвижности электронов. Кремний, в котором примесь служит. донором электронов, называется кремнием п-типа, а легированный электронодефицитными атомами — кремнием ртипа'. Электрическое поле, приложенное к кристаллу легированного кремния, вызывает протекание тока, обусловленного почти исключительно избыточными электронами илн дырками, образованнымн примесью. Таким образом, основныли носитвлятни и кремшш и-типа служат электроны, а в кремнии р-типа — дырки. Рнс.
27-!. Схематн щское нзобра- жсннс рп-перехода Диоды * Следует отметить, что кремний нлн германий, легированные даже относнтельно глубока, с хилщчеекой точки зрения все еще остаются высокочнстымп веществамн. Обычно достаточно контроларуемой добавки порядка ! !О-' аа, чтобы придать крнсталлу необходимые элсктрячсскяе свойства. Кристаллический диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, который обладает способностью пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратном. Его изготавливают из кремния или германия частично р- и частично п-типа, как схематически показано на рпс. 27-!. Когда источник напряжения соединен отрицательным полюсом с п-областью и положительным с р-областью, основные ннсителн в обеих зонах движутся к рп-переходу. В области перехода электроны из и-зоны рекомбинируют с дырками р-зоны, и таким образом осуществляется перенос тока.
При обратном включении, когда и-зона положительна, а р-зона отрицательна, дырки и электроны уходят от перехода, оставляя проме>куточпую область без носителей, так что ток протекать не может (исключая короткий переходный период, когда напряжение только что приложено). Вольтампсрные характсрпстпки для кремниевого и гермацпеного диодов приведены на рис. 27-2, Для положительного, г. с. прямого, потенциала ток экспонеициально зависит от напряжения. Если приложен отрицательный (обратный) потенциал, то ток, называемый током у!тсчки, почти равен пулю и 554 Глава 27 Элскгроипые схемы в зпзлитических приборах 555 вб пие Чсбр Э Ччр Рис.
27-2. а — вольтампсрпыс хврвкзсрпсг|гкп гермяииевых и кремниевых диодов; б — обозпвчеиие простого диода; а — обозначение диода Зеиера (стябилитроиз). Шкеле токов для пик<пей мсти (а) увсличсоз отиосвтельио верхней части, не изменяется до тех пор, пока (для кремния) не будет достигнута критическая величина Ел, при которой обратный ток возрастает до величины, определяемой только сопротивлением внешней цепи. Эта критическая точка, называемая напряжениелг Зенера илн напряжением пробоя, соответствует напряжению, необходимому для отрыва электронов ковалентных связей в кристалле с созданием положительных и отрицательных носителей, которые движутся к соответствующим полюсам диода.
Можно изготовить кремниевые диоды с любым напряжением пробоя в диапазоне от 2 до 200 В. Германиевые диоды имеют более низкое обратное сопротивление, чем кремниевые, и не имеют четко выраженного потенциала пробоя. Диоды находят применение во многих областях. Диоды большого размера используются как мощные выпрямители для превращения переменного тока в постоянный, от которого питаются другие приборы.
Диоды меньших размеров применяются для выпрямленна импульсных сигналов; в этом случае они носят название детекторов или делгодулятаров. Диоды, рассчитанные на резкое изменение потенциала пробоя (диоды Зенера), широко используются для создания соответствующего напряжения.
Транзисторы Епэа ймигпгпср ~ коллектор Транзистор представляет собой основной усилительный полупроводниковый прибор. Существует несколько модификаций транзисторов. Наиболее важные для нйших целей можно разбить на два класса: 1) биполярные и 2) полевые транзисторы. Биполярный транзистор (рис. 27-3) состоит из кремниевой пластинки, содержащей две зоны р-типа, разделенных тонким слоем материала я-типа; при этом образуются два перехода, каждый из которых обладает свойствамп диодов, описанными выше.
При работе транзистора переход между одной р-зоной, называемой эммиттером, и н-слоем, называемым базой, имеет небольшое прямое смещение, тогда как переход база †коллект (коллектор — это вторая р-зона) имеет обратное смещение.
Ток может протекагь через переход эмиттер — база. Область базы, будучи тонкой и слаболегированной, бедна электронами. Поэтому большинство дырок с эмпттера диффундируют через нее, так как онн имеют большую вероятность быть «собранными» большим коллекторным переходом, чем рекомбинировать с электронами базы. Отношение коллекторного тока к току базы 1гс/1и определяется исключительно геометрией системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
