Будова транзистора

Вакуум

Плазма

Плазма — це частково або повністю йонізований газ, у якому густини позитивних і негативних зарядів практично однакові. Як правило, позитивно заряджені частинки — цс йони, а не­гативно заряджені частинки — електрони. Тому в цілому плазма є електрично нейтральною системою.

Ступінь йонізації плазми (α) визначається відношеням числа

йонізованих атомів до їх загального числа: α=N_i/N. Залежно від сту­пеня йонізації плазма поділяється на слабко йонізовану (α становить частки відсотки), частково йонізовану (α — кілька відсотків) і пов­ністю йонізовану (α =100%).

Нагадаємо, що в стані плазми перебуває більша частина ре­човини Всесвіту — зорі, зоряні атмосфери, галактичні туманності й міжзоряне середовище; плазма заповнює магнітосферу Землі та йоносферу. Процесами в навколоземній плазмі зумовлені магнітні бурі та полярні сяйва. Відбиття радіохвиль від йоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі.

У різкій відмінності властивостей плазми від властивостей ней­тральних газів визначальну роль відіграють два чинники.

По-перше, взаємодія частинок плазми характеризується кулонівськими силами притягання та відштовхування, які зменшуються з відстанню набагато повільніше, ніж сили взаємодії нейтральних частинок, Із цієї причини взаємодія частинок у плазмі с не парною, а колективною - одночасно взаємодіє велика кількість частинок.

По-друге, електричні та магнітні поля сильно діють на плазму, викликаючи появу в цій об'ємних зарядів і струмів та зумовлюючи цілу низку специфічних властивостей плазми. Ці відмінності дозво­ляють розглядати плазму як особливий, «четвертий», стан речовини.

Термін «плазма» був уведений у фізику на початку 1930-х рр., але особлива зацікавленість плазмою виникла після 1949 р., коли розпочалися роботи зі створення водневої бомби та керованих термо­ядерних пристроїв.

Високотемпературна плазма (Т ~10⁸ К) поки не мас широкого застосування, але саме з такою плазмою із Дейтерію й Тритію, а та­кож ізотопу Гелію ³Не пов'язана ідея створення керованого термо­ядерного синтезу.

Низькотемпературна плазма (Т~10³ К) мас застосування в га­зорозрядних джерелах світла й у газових лазерах, у пристроях пе­ретворення теплової енергії на електричну. Були також розроблені магнітогідродинамічні генератори, в яких за допомогою плазми, що рухається, створюються значні електричні поля. Пристрої під назвою плазмотрони, що створюють струмені густої низькотемпературної плазми, широко застосовуються в різних галузях техніки. Зокрема, за їхньою допомогою ріжуть і зварюють метали, наносять покриття.

Коли говорять про вакуум, то мають на увазі високий вакуум. Для створення такого вакууму необхідне розрідження, за якого в газі, що залишився, середня довжина вільного пробігу молекул більша за розміри посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в посудині створений вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою й пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони зазнають зіткнення лише з електродами або зі стінками посудини.

Слід підкреслити, що навіть при досягненні високого вакууму, наприклад при р = 10-7 мм рт. ст., в 1 см3 газу ще міститься декілька мільярдів молекул. У наш час вдалося досягти надвисокого вакууму, за якого тиск повітря, яке залишилося в посудині, становить приблизно 10-12 мм рт. ст.

10. Умови існування струму у вакуумі.

Відкачуючи газ із посудини, можна досягнути такої концентрації, за якої молекули будуть встигати пролітати від однієї стінки посудини до іншої і при цьому не співударятись між собою. Такий стан у посудині називають вакуумом. Провідність між електродами, наприклад, у діоді, можна забезпечити лише введенням у трубку заряджених частинок (рис. 4.3.8).

Найчастіше дія такого джерела, заряджених частинок ґрунтується на властивості металевих тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Цей процес називають термоелектронною емісією. Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод, на відміну від холодного, неперервного випускає електрони, які утворюють навколо електрода електронну хмарку. Електрод при цьому заряджений позитивно, і під впливом електричного поля електрони з хмарки повертаються до катода. Щоб вийти з металу, електрони виконують роботу проти сил притягання з боку катода і відштовхування з боку інших електронів хмаринки. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Через деякий час за будь-якої температури між хмаркою, утвореною електронами, і металом установиться рівновага - стан, за якого кількість електронів, що покинули метал катода за певний проміжок часу, дорівнює кількості електронів, що повернулися до металу за цей проміжок часу.

Різниця між гарячим і холодним електродами, впаяними в закриту посудину, із якої відкачують повітря, полягає в односторонній провідності електричного струму між ними. У разі під'єднання електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Якщо "+" джерела з'єднати з холодним електродом (анодом), а "-" - з нагрітим (катодом), то під дією електричного поля електрони полетять до анода і у вакуумі виникне електричний струм. Якщо прикласти електричне поле навпаки, то в колі струму не буде, оскільки електричне поле буде заганяти електрони, які покинули поверхню катода, назад в метал і коло буде розімкненим.

Односторонню провідність використовують в електронних приладах з двома електродами - вакуумних діодах (рис. 4.3.8).

Будова сучасного вакуумного діода така. Усередині скляного балона відкачують повітря і туди впаюють два електроди. Катод покрито шаром оксиду лужноземельних металів. З нагріванням цього шару виділяється велика кількість електронів, які досягають анода.

В електричному колі з діодом струм проходить тоді, коли катод розігріто до високої температури, а анод з'єднано з позитивним полюсом джерела струму. У сучасних діодах використовують непряме нагрівання катода за допомогою невеликої спіралі, розміщеної всередині циліндричного катода. У цьому разі температура підігріву досягає лише 1000 К.

Графік залежності сили струму I _a від прикладеної між анодом і катодом напруги U називають вольт-амперною характеристикою діода (рис. 4.3.8). За деякого значення напруги, що залежить від температури катода, струм досягає максимального значення і далі не змінюється, бо всі електрони попадають на анод. Його називають струмом насичення I _н. Вольт-амперна характеристика лампи нелінійна, і закон Ома в цьому разі не виконується. З підвищенням температури катода внаслідок збільшення кількості електронів, що вилітають з катода, струм насичення зростає.

Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного електричного струму поряд з напівпровідниковими діодами.

Якщо в аноді двохелектродної електронної лампи зробити невеликий отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, створить за анодом електричний пучок. Кількість електронів у пучку можна регулювати, помістивши між катодом і анодом додатковий електрод і змінюючи його потенціал.

Отриманий електронний пучок має такі властивості:

1) попадаючи на тіла, викликає їх нагрівання і використовується для електронного плавлення надчистих металів;

2) під час гальмування швидких електронів пучка, що попадають на речовину, виникає рентгенівське випромінювання;

3) такі речовини, як скло, сульфіди цинку і кадмію, бомбардовані електронами, світяться;

4) електронні пучки відхиляються електричним полем (наприклад, пролітаючи між пластинами конденсатора, електрон відхиляється від негативно зарядженої пластини);

5) електронні пучки відхиляються і в магнітному полі.

Властивість електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі і викликати світіння люмінофорів використовують в електронно-променевих трубках (рис. 4.3.9). У вузькій частині трубки розміщено електронну гармату, що складається із катода 1 і анода 2 (частіше їх декілька, розміщених один за одним). Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів в сотні і навіть тисячі вольт для прискорення електронів. Між анодом і екраном трубки 5, покритим шаром люмінофору, розміщено дві пари керувальних пластин 3 і 4, на які подається напруга, що відхиляє електронний промінь. Оскільки маса електронів пучка мала, вони майже безінерційно реагують на зміну напруги на керувальних пластинах. Тому електронно-променеві трубки широко використовують для вивчення швидкоплинних процесів. Вони є складовою частиною осцилографів, телевізорів. Їх використовують в моніторах комп'ютерів та інших пристроїв. Електронним пучком у кінескопі телевізора керують за допомогою магнітного поля котушок, надітих на трубку.

Однак випромінювання, яке поширюється в просторі навколо електронно-променевих трубок, шкідливе і тому їх поступово замінюють на екрани з рідких кристалів.

11. Вакуумні прилади

Двоелектродна лампа. Найпростішим електронним приладом, в якому використовується явище термоелектронної емісії, являється двохелектродна електронна лампа – вакуумний діод. (мал.1)

Сучасний вакуумний діод складається зі скляного або металокерамічного балона, з якого відкачане повітря до тиску 10-7 мм рт. ст. У балон упаяно два електроди, один із яких — катод — має вигляд вертикального металевого циліндра, виготовленого з вольфраму й покритого звичайно шаром оксидів лужноземельних металів. Усередині катода розташований ізольований провідник, що нагрівається змінним струмом. Нагрітий катод випускає електрони, які досягають анода. Анод лампи є круглим або овальним циліндром, що має загальну вісь із катодом.

Вольт-амперна характеристика діода.

Властивості будь-якого електронного пристрою відображає його вольт-амперна характеристика, тобто залежність сили струму від напруги на клемах цього пристрою.

Із збільшенням анодної напруги все більше електронів, емітованих катодом, захоплюється електричним полем, і сила анодного струму різко зростає доти, поки напруга не досягне такого значення Uн, за якого всі емітовані катодом за одиницю анодного струму досягає максимального значення Ін, яку називають силою струму насичення, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн дістала назву напруги насичення.

Будова й принцип дії електронно-променевої трубки та її застосування.

Електронно-променевою трубкою називається вакуумний електронний прилад, який дозволяє перетворювати електричні сигнали у видиме зображення.

Трубка являє собою вакуумний балон, одна із стінок якого є екраном (мал.3). У вузькому кінці трубки міститься джерело швидких електронів – електронна гармата. Вона складається з катода, діафрагми і анода. За допомогою діафрагми з електронів, які випускає катод, виділяється вузький електронний пучок. В електричному полі, створюваному між катодом і циліндричним анодом, електрони розганяються до швидкості порядку 104 км/с.

Електронний промінь проходить через два конденсатори, пластини яких розміщені у взаємно перпендикулярних площинах, і попадає на екран, покритий речовиною, яка світиться під дією падаючих на нього електронів. У місці падіння променя на екрані з’являється світна точка.

Якщо подати на горизонтальні пластини конденсатора постійну напругу, напрям електронного променя зміниться і світна точка зміститься вздовж вертикалі. У випадку змінної напруги електронний промінь коливатиметься у вертикальній площині, а на екрані з’явиться світна вертикальна лінія, довжина якої залежить від значення прикладеної напруги. За довжиною цієї лінії можна знаходити значення дуже слабких напруг і сил струму.

На вертикальні пластини конденсатора подається змінна напруга пилкоподібної форми (мал.4)

Під дією такої напруги світна точка рівномірно переміщатиметься вздовж горизонталі, наприклад вправо, а потім стрибком повертатиметься в крайнє ліве положення. Цей періодично повторюваний процес, названий горизонтальною розгорткою променя, дає на екрані горизонтальну світну лінію.

Якщо на вертикальне коливання променя, зумовлене досліджуваною залежності напругою, накласти горизонтальну розгортку, то промінь описуватиме на екрані криву досліджуваної напруги від часу. Коли ж ця напруга змінюється періодично, можна, дібравши відповідну частоту горизонтальної розгортки. Дістати на екрані нерухомий графік досліджуваної напруги і сфотографувати його.

Електронно-променева трубка є основною частиною електронного осцилографа, який широко використовується у науці й техніці під час вивчення різноманітних швидкоплинних процесів.

Електронно-променеві трубки застосовуються в телевізійних і радіолокаційних установках, в електронно-обчислювальних машинах, у вимірювальній апаратурі тощо.

12. Напівпровідники

Таб­лиця питомих опорів (Ом • м при 20 ° С):

Метал	Питомий опір	Напів­провідник	Питомий опір	Діелектрик	Питомий опір
Срібло	1,6 • 10^8	Телур	2,5	Скло	2
Мідь	1,710^8	Германій	5,0	Фарфор	3
Сталь	1,2 • 10^7	Селен	10^2 - 10^4	Ебоніт	2
Ніхром	1,1 • 10	Окис міді	1	Сірка	3

Як видно з таблиці, питомі опори напівпровідників за кімнатної температури мають значення, розташовані в широкому інтервалі, тобто від 10 ³ до 10Ом • м, і займають проміжне положення між металами й діелектриками.

Напівпровідники — речовини, питомий опір яких дуже швидко змен­шується з підвищенням температури.

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного зв'язку. В утворенні цього зв'язку від кожно­го атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплю­ються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами. їх негативний заряд утримує пози­тивні іони один поблизу одного.

Кожний атом утворює чотири зв'язки із сусідніми, й будь-який валент­ний електрон може рухатися по одному з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього крис­тала. Валентні електрони належать усьому кристалу.

Ковалентні зв'язки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються. Тому напівпровідники за низької темпе­ратури не проводять електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язках атомів, міцно прив'язані до кристалічних решіток, і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух.

13. Власна провідність напівпровідників.

У разі нагрівання напівпро­відника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається роз­рив окремих зв'язків. Деякі електрони стають вільними, подібно до елек­тронів у металі. В електричному полі вони переміщаються між вузла­ми решіток, утворюючи електричний струм.

Провідність напівпровідників, що зумовлена наявністю в них вільних електронів, називається електронною провідністю.

У тій парі атомів, звідки зовнішнім впливом — нагріванням або освіт­ленням — електрон був переведений у вільний стан, з'являється надлиш­ковий позитивний іон. Тепловий рух атомів кристала призводить до того, що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до да­ного іона. Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом, звідки був «за­хоплений» електрон. Такий процес відбувається багато разів, і тому пере­міщення позитивного заряду всередині кристала, яке відображає насправді рух зв'язаних електронів від одного атома до іншого, називають рухом дірок.

Легко побачити, що поява дірок у кристалі створює додаткові мож­ливості для перенесення заряду. Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі, куди рухали­ся б позитивні заряди.

14. Домішкова провідність напівпровідників.

Як власну провідність напівпровідників, так і домішкову пояснимо на основі уявлення про будову типових напівпровідників — германію або кремнію. За схемою будови напівпровідникового кристала розбирають, що відбувається, коли в нього вводиться домішка, наприклад мишяку, що має п'ять валентних електронів (донорна домішка), або бору (акцепторна домішка).

Оскільки напівпровідники, що мають донорні домішки, наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок), їх назива­ють напівпровідниками -типу.

В напівпровідниках -типу електро­ни є основними носіями заряду, а дірки — неосновними.

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електрон­ною називають напівпровідниками р-типу.

Основними носіями заря­ду в напівпровіднику р-типу є дірки, а неосновними — електрони.

15. Електронно-дірковий перехід.

Серед фізичних властивостей, які мають напівпровідники, найбільше застосування дістали властивості контактів (р—-переходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

У напівпровіднику -типу електрони беруть участь у тепловому русі й дифундують через межу в напівпровідник р-типу, де їх концентрація є значно меншою. Так само дірки будуть дифундувати з напівпровід­ника р-типу в напівпровідник -типу. Це відбувається подібно до того, як атоми розчиненої речовини дифундують із міцного розчину в слаб­кий під час їхнього зіткнення.

У результаті дифузії приконтактна область збіднюється основними носіями заряду: в напівпровіднику -типу зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику р-типу — концентрація дірок. Тому опір приконтактної області виявляється дуже великим.

Дифузія електронів і дірок через р—-перехід приводить до того, що напівпровідник -типу, з якого йдуть електрони, заряджається позитив­но, а р-типу — негативно. Виникає подвійний електричний шар, що створює електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії вільних носіїв струму через контакт напівпровідників. За деякої різниці потенціалів між подвійним зарядженим шаром подальше збіднення прикон­тактної області основними носіями припиняється.

Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з'єднувалася з негативним полюсом джере­ла, а діркова — з позитивним, то електричне поле, створене джерелом струму, буде напрямлене так, що воно переміщатиме основні носії стру­му в кожній ділянці напівпровідника до р—-переходу. Приконтакт­на область буде збагачуватись основними носіями струму, й опір її зменшиться. Через контакт проходитиме помітний струм. Напрям стру­му в цьому випадку називають пропускним або прямим.

Якщо ж приєднати напівпровідник -типу до позитивного, а р-типу до негативного полюса джерела, то приконтактна область розширяєть­ся. Опір області значно збільшується. Струм через перехідний шар буде дуже малий. Цей напрям струму називають замикаючим або зворотним.

16. Принцип роботи напівпровідникового діода.

Знання про влас­тивість р—-переходу можна застосувати під час вивчення на­півпровідникового діода та його вольт-амперної характеристики.

Сучасні діоди частіше за все виготовляють із германію або кремнію, в яких завдяки відповідним домішкам створюються дотичні області з електронною й дірковою провідністю. Якщо, наприклад, на пластин­ку германію наплавити краплю індію, то поверхневий шар германію, в який проникнуть на деяку глибину атоми індію, стане дірковим напів­провідником. Тоді між областями германію з електронною й дірковою провідністю виникає р—-перехід.

Далі необхідно розглянути вольт-амперну характеристику діода. При цьому звернемо увагу на те, що сила струму в прямому напрямі із збільшенням напруги зростає дуже швидко. У замикаючому ж на­прямі сила струму дуже мала й майже не змінюється із зростанням на­пруги.

З вольт-амперної характеристики діода витікає, що для нього не за­стосовний закон Ома.

17. Застосування напівпровідникових діодів.

Напівпровідникові діоди виготовляють для випрямляння як слабких, так і дуже сильних струмів. Перші широко застосовують у радіотехнічних пристроях: радіоприймачах, магнітофонах, телевізорах, ЕОМ. Діоди, розраховані на сильні струми, використовують для випрямляння змінних струмів, що живлять електродвигуни трамваїв, електровозів тощо. Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і знач­ний термін служби. Проте вони можуть працювати лише в обмежено­му інтервалі температур (від -70 до 125 °С).

Транзистор являє собою напівпровідниковий пристрій із двома

р-- переходами.

Пояснимо, як за допомогою домішок у кри­сталі германію або кремнію створюються три області.

Між двома областями з провідністю р-типу створюють шар із провідністю -типу, що називається базою, який роблять дуже тонким.

Повідомляють, що одна з розділених базою областей називається емі­тером, а друга— колектором.

Таким чином, між емітером і базою, а також колектором і базою ство­рюються два р—-переходи, пропускні напрями яких є протилежними.

Дата добавления: 2014-01-11