• Регистрация
Роман Мнев
Роман Мнев +38.96
н/д
  • Написать
  • Подписаться

Основы электротехники 5 – Полупроводники

Этим постом мы продолжаем серию публикаций, посвящённых основам электротехники. В нём мы поговорим о полупроводниках. Начнем, как всегда, с основ. Что такое полупроводник? Строго формально это вещество, которое слишком плохо проводит ток, чтобы называться проводником, но слишком плохо изолирует, чтобы называться диэлектриком. Сами по себе такие вещества мало интересны. Всё самое любопытное начинается тогда, когда мы вносим в них примеси. Здесь нам придётся опуститься на уровни отдельных атомов.

Вот кристаллическая решётка кремния. У каждого атома по четыре связи с соседями, поскольку валентность кремния равна четырём (вспоминаем химию). Но теперь один атом заменим на атом фосфора.

Проблема в том, что у фосфора пять валентных связей, так что один электрон остаётся не занятым. Если теперь приложить напряжение к кристаллу, то этот электрон оторвется и побежит, образуя электрический ток. Но мы ничего прикладывать пока не будем, а только запомним, что получился проводник N-типа, от слова "негатив", ведь электрон несет отрицательный заряд. Теперь вместо фосфора подмешаем бор.

У него связи всего 3, так что остается пустое место. Это место совершенно официально именуется дыркой. Очевидно, что будет при приложении напряжения, соседний с дыркой электрон не выдержит, перепрыгнет в неё, и теперь дырка на его месте, туда прыгнет следующий и так далее.

Получается, что дырка как будто движется по кристаллу. Для удобства так и говорят, что в кристалле появляется дырочная проводимость. Раз электрон отрицательный, значит дырка положительная. Тогда получился полупроводник P-типа, от слова "позитив". 

Теперь, как говорится, следите за руками. Приложим друг к другу проводники P и N типа, как бутерброд. На границе у нас с одной стороны есть свободные электроны, с другой стороны дырки. Очевидно, что электронные дырки в пограничном слое встретятся и взаимно уничтожаются. Но если из кристаллов вдруг пропали электроны, то он потерял отрицательный заряд, то есть приобрёл положительный. И наоборот, если потерял дырки, приобрёл отрицательный. В итоге мы получили, что на границе раздела у нас с одной стороны есть слой положительно заряженного вещества, а с другой отрицательного. Между ними появляется небольшое электрическое поле, примерно 0,3 Вольта. Это поле не даёт прочим электронам и дыркам пересекать границу. Этот слой называется PN-переход, и это как раз то, за что полупроводники так ценят схемотехники.

В самом деле, попробуем приложить к нашему “бутерброду” напряжение. Если приложим противоположно полю PN-перехода, то это поле исчезнет и заряды свободно побегут, получится ток.

Если же внешнее поле приложить наоборот, то он только усилит поле PN-перехода, и носители заряда не смогут пересечь границу, то есть тока в нём не будет. Собственно говоря, так и работает диод.

В одну сторону ток течёт, а в другую нет. Поэтому полупроводниковые приборы ещё называют ключами, потому что они либо открыты и проводят ток, либо закрыты и не проводят.

Из этого следует множество их применений. Сейчас мы рассмотрим самые распространённые. Самая простая схема – это однополупериодный выпрямитель. По названию можно догадаться что он делает: оставляет одну половину периода напряжения.

Сделать его очень просто: достаточно поставить в цепь переменного напряжения один единственный диод. Вот модель, которая это иллюстрирует.

Такая схема, конечно, очень хороша своей простотой, но при этом мы теряем ровно половину напряжения, оно просто отсекается. Кроме того, напряжение в этом случае очень сильно пульсирует. Это может повредить потребителю, поэтому чаще используют так называемую мостовую схему. Вообще, кстати, мостом в электронике называют всё, что состоит из плеч, а плечо – это два последовательных ключа. Вернёмся к однофазному мосту, он строится весьма логично, так что схемы его можно не запоминать и просто рисовать каждый раз при необходимости.

Итак, у нас есть переменный источник и потребитель, которому нужен постоянный ток. В первом приближении можно считать постоянным хотя бы тот, который не бывает отрицательным. Пометим на потребителе, где у него должен быть плюс и минус. Теперь обратимся к источнику. Пусть сейчас, в настоящий момент он даёт положительное напряжение, идёт положительная полуволна. Тогда подведём его к потребителю, плюс к плюсу, минус к минусу, по пути поставим диоды, это защитит нашего потребителя от напряжения обратной полярности. Но ведь и обратное напряжение можно использовать. Посмотрим, вот у нас на источнике теперь всё наоборот. Снова подведём плюс плюсу, минус к минусу, поставим диоды. Вот наша схема и готова.

Какой бы полярности напряжения мы не прикладывали, на потребителе оно всегда будет положительным. Вообще-то схема настолько популярна, что на схемах её иногда рисуют одним значком, вот таким вот:

Но напряжение на ней всё равно остаётся пульсирующим. Вот это видно на модели.

Его можно сгладить, если воспользоваться конденсатором. Ведь на конденсаторе, как мы помним, собираются электроны. Им, чтобы собраться, нужно какое-то время, поэтому напряжение на конденсаторе никогда не меняется мгновенно, а наоборот медленно и плавно. Посмотрим на модели что это даёт.

Для компактности модели возьмём готовый блок моста с подключённой нагрузкой и параллельно поставим конденсатор. Для конденсатора напряжение на нагрузке меняется слишком быстро, поэтому он за ним не успевает и волей-неволей сглаживает. До конца, конечно, никогда не сгладит, но для практических целей этого достаточно.

Теперь поговорим о транзисторе. Если диод состоял у нас из двух разных полупроводников, то транзистор состоит из трёх: эмиттера, коллектора и базы.

Соответственно он может быть двух типов: pnp и npn. Для определённости мы сейчас будем рассматривать npn, но всё тоже самое применимо к pnp. Отметим, что важная особенность транзистора в том, что база у него маленькая и мало легирована примесью. Сейчас увидим к чему это приводит. В транзисторе у нас, очевидно, есть 2 p-n перехода: эмиттер-база и коллектор-база.

В исходном состоянии оба перехода закрыты. В эмиттере и коллекторе много электронов, в базе много дырок. Это следует из типов полупроводников. Подадим теперь напряжение на эмиттер и коллектор.

Все электроны из коллектора ушли, а новым взяться неоткуда, в базе есть только дырки, тока нет, транзистор закрыт. Теперь даём небольшое напряжение между эмиттером и базой, причём так, чтобы ослабить поле p-n перехода между ними. В результате, этот переход открывается. Это приводит к тому, что электроны из эмиттера начинают просачиваться в базу. Как мы помним, особенность базы в том, что примеси там мало, и сама она маленькая, а значит дырок там просто мало, рекомбинировать электронам не с кем. Значит почти все они долетают до перехода база-коллектор. Но он-то уже направлен так, что электроны сквозь него проходят свободно. Так что долетевшие до него электроны уходят в коллектор, а из него во внешнюю цепь. Потёк ток, то есть транзистор начал открываться, и чем больше ток базы, тем слабее будет переход база-эммитер, тем больше электронов проходит из эмиттера в коллектор через базу, и тем больше ток эмиттер-коллектор. То есть получается, что ток базы управляет током коллектор-эмиттер.

Самое главное здесь то, что при правильно подобранных размерах и степенях легирования примесями можно добиться того, что ток базы будет очень маленьким, но управлять он будет очень большим током коллектора. У реальных транзисторов это соотношение может достигать сотен и даже тысяч. Похоже на то, как мы можем открыть водопроводный кран сравнительно небольшим усилием, регулируя огромный поток воды. Поэтому транзисторы и подобные им приборы часто называют не только ключами, но и вентилями.

Вот как всё это выглядит в модели.

Маленький, слабенький сигнал на входе управляет огромным (сравнительно огромным) потоком энергии на выходе. На основе таких и подобных схем строится, по большому счёту, почти вся аналоговая радиотехника. Например, аналоговый гитарный усилитель, тот самый тёплый ламповый кстати тоже, но об этом мы поговорим в конце ролика.

Если же управляющий ток транзистора таков, что сразу открывает его полностью, то говорят, что такой транзистор работает в ключевом режиме. В таком режиме транзисторы используют в основном в 2х областях: в электроэнергетике и в кибернетике.

Сначала пример из электроэнергетики.

Возьмём схему выпрямительного моста, заменим в ней диоды на транзисторы, поменяем местами источник и потребитель, и сам источник сделаем постоянным. Теперь в зависимости от того, какие транзисторы мы открываем, получаем на потребителе напряжение разной полярности. У нас получился самый простой инвертор, прибор, который делает из постоянного напряжения переменное.

Пример из кибернетики. RS-триггер на транзисторах. Вот его схема:

Описывать её работу сейчас не будем, это довольно долго, но того, что я вам сейчас рассказал вполне достаточно, чтобы вы могли проанализировать её сами.

В целом RS-триггер работает так: при подаче импульса на вход S (set), его выход устанавливается в 1, а при подаче импульса на вход R (reset) в 0. Второй выход триггера работают строго наоборот.

Есть ещё несколько видов триггеров, но их тоже можно построить на базе транзисторов. На базе триггера строится уже вся та вычислительная техника, которую мы с вами знаем, в том числе то устройство, на котором вы смотрите этот видеоролик. Кстати, знаменитая Кремниевая долина так называется потому, что там делают вычислительную технику, а основана она на полупроводниках. Полупроводники же, как мы с вами только что увидели, почти полностью состоят из кремния.

Вообще говоря, полупроводниковых приборов весьма много: например, МОП- или МОСФЕТ-транзисторы, которые управляются не током, а напряжением. Или полууправляемые ключи тиристоры, которые можно открыть в любой момент, но закрываются они только при переходе тока через 0. За током мутируют токи до единиц кА. Стабилитроны, сбрасывающие избыток напряжения и так далее.

И это, ещё не говоря об огромном количестве отработанных схем на все случаи жизни. Там открывается широчайший простор для творчества. Не зря же одна из лучших книг по этой теме называется искусство схемотехники, кстати весьма интересная книга, рекомендую прочитать.

В завершении скажем два слова о предшественнике транзистора, вакуумном триоде.

Физический принцип у него другой, но функционально он очень похож на транзистор. Большой ток основной цепи регулируется малым током управляющим. Поэтому на лампах можно построить и усилитель, и радиоприёмник, и компьютер. Исторически все эти приборы сначала были лампами, но сейчас энтузиасты воссоздают эту технологию. В целом о схемотехнике полупроводников можно говорить очень много, это предмет отдельного большого курса. Мы же сейчас коротко познакомились с основными принципами, в следующей публикации вернёмся к нашей основной теме - электротехнике. Поговорим о переходных процессах в электрических цепях.

Теги

      30.11.2021

      Комментарии