Глава 4
Полупроводники
В этой главе мы подробно рассмотрим основные типы активных компонентов, то есть те, в которых используются полупроводники. Начнем с диода и закончим интегральными схемами, которые содержат сотни или тысячи миниатюрных транзисторов.
Полупроводники – это материалы с особыми свойствами, способные изменять поток тока. Это такие элементы, как кремний, германий, мышьяк, галлий или комбинации этих элементов. Добавляя особые примеси в полупроводник, этот процесс называется легированием, мы заряжаем его слегка положительным зарядом или отрицательным, изменяя его поведение. Целью данного процесса является не столько использование полупроводника в качестве резистора, сколько его способность обеспечивать электронами или поглощать их. Сначала поговорим о полупроводниках n-типа, а после о полупроводниках р-типа. Объединяя слои полупроводников разных типов и разной толщины, выявили ряд особых свойств, которые позволили разработать новые электронные приборы, такие как диод, транзистор и интегральные схемы.
Диоды
Диод – это элемент, в котором электрический ток может течь только в одном направлении. Это достаточно простое, но очень важное устройство, лежащее в основе создания транзисторов и интегральных микросхем.
Предположительно уже в 1874 году Карл Фердинанд Браун заметил, что некоторые металлические сплавы обладают свойством проводить электрический ток только в одном направлении. Диод можно сравнить с особым клапаном, в котором вода может протекать только в одну сторону (обратный клапан).
Для каких целей служит этот элемент? Диоды используются для предотвращения короткого замыкания и для того, чтобы препятствовать прохождению сильных токов с противоположным направлением через другие устройства и их повреждению. Они также используются в блоках питания, которые собирают сетевое напряжение 220 В и преобразовывают его в напряжение постоянного тока. Преобразование переменного тока в постоянный ток осуществляется с помощью диодов.
Рис. 4.1. Сравнение диода с обратным клапаном
Диоды изготавливаются путем соединения двух слоев полупроводников, первый р-типа (от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей), второй n-типа (от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей). Вместе они образуют р-n переход. Первые диоды были изготовлены, применяя германий в качестве полупроводника, позже начал использоваться кремний. Две области с противоположной полярностью создают электрический барьер, который может предотвратить прохождение электрического тока в одном из двух направлений. Символ, обозначающий диод, напоминает знак стрелки, сообщая направление прохождения тока.
Диод обладает полярностью: его выводы легко различимы и носят названия анод и катод. Катод соответствует отрицательному полюсу, анод – положительному. Когда мы подключаем анод к положительному полюсугенератора, а катод к отрицательному, диод имеет прямое смещение и через него может протекать ток. Чтобы избежать короткого замыкания, нам нужно последовательно соединить резистор с диодом! Если повернуть направление соединения, диод будет иметь обратное смещение, ток не будет протекать.
Рис. 4.2. P-N-переход диода, символ диода и некоторые реальные компоненты. Катод помечен белой полоской
Анод и катод можно легко отличить, поскольку катод всегда отмечается линией или цветной полосой (белой или черной). Различные сферы применения требуют различных типов диодов.
• Диоды для сигналов – используются для изменения электрических сигналов, образованных малыми токами, такие как 1N4148 с тонкой стеклянной оболочкой.
• Германиевые диоды – детекторы, используемые в радио.
• Выпрямительные диоды – для преобразования токов или для предотвращения короткого замыкания, такие как 1N4005 с черным пластмассовым корпусом и белой полосой на катоде.
• Диоды для сильных токов – с корпусом большого размера из пластика или керамики, для выдерживания высоких температур и более эффективного рассеивания тепла.
• Особые диоды, такие как диод Зенера, диод Шоттки и варикап.
Давайте попробуем построить простую схему с обычным диодом и посмотрим, как он себя ведет. Вот список необходимого оборудования:
• обычный диод, например 1N4005 или 1N4007;
• резистор на 10 кОм;
• макетная плата;
• перемычки для соединения;
• батарейка на 9 В с зажимом;
• тестер.
Рис. 4.3. Электрическая схема и ее построение на макетной плате
Как мы уже говорили ранее, если подключить диод в прямом смещении, то есть анод диода подключить к положительному полюсу батарейки, компонент должен пропускать ток в качестве переключателя и падение напряжения на его выводах должно равняться 0 вольт. Используя закон Ома, можно предположить, что измеряемый ток будет равен:
При измерении тока с помощью тестера, мы увидим значение около 8 мА. Если измерить напряжение на выводах диода, значение напряжения будет равно 0,6 В. Это означает, что диод не ведет себя так же как переключатель. Чтобы «включить» диод, на его выводах должно быть напряжение в пределах от 0,5 В до 0,7 В. Значение зависит от модели и конструкции диода; некоторые специальные диоды требуют только 0,1 В! Чтобы правильно рассчитать ток, мы должны учитывать «напряжение включения» диода. Правильный расчет будет следующим:
При размещении диода в противоположном направлении, то есть в обратном смещении, ток не будет протекать и на его выводах будет измеряться точное напряжение в 9 В, потому что в этом случае он ведет себя как разомкнутая цепь, в которой не протекает ток.
Рис. 4.4. Электрическая схема с диодом в обратном смещении и ее построение на макетной плате
Рис. 4.5. График поведения диода: теоретический (слева) и реальный (справа
