§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с по­лупроводником) используется для вы­прямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-ды­рочный переход, то его действие аналогич­но действию двухэлектродной лампы — диода (см. § 105). Поэтому полупроводни­ковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводнико­вым (кристаллическим) диодом. Полупро­водниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

В качестве примера рассмотрим точеч­ный германиевый диод (рис.339), в кото­ром тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить крат­ковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Ge и об­разуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью.

На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэф­фициентом выпрямления. Благодаря ма­лой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колеба­ний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрями­теля дана на рис. 340. На медную пласти­ну с помощью химической обработки на­ращивается слой закиси меди Cu₂O, кото­рый покрывается слоем серебра. Серебря­ный электрод служит только для включе­ния выпрямителя в цепь. Часть слоя Си₂0, прилегающая к Cu обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Cu

2O, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Cu₂O к Cu (pn).

Технология изготовления германиево­го плоскостного диода описана в §249 (см. рис. 325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габарит­ные размеры, высокие к. п. д. и срок служ­бы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабо­чих температур ограничен (от -70 до +120°С). p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести

405

обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, пред­назначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов ис­пользуются германий и кремний, так как они характеризуются большой механиче­ской прочностью, химической устойчиво­стью и большей, чем в других полупро­водниках, подвижностью носителей тока.

Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значи­тельно усиливают напряжение, но их вы­ходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел ра­бочей температуры точечного германиево­го триода лежит в пределах 50—80 °С). Плоскостные триоды являются более мощ­ными. Они могут быть типа р-n-р и типа п-р-п в зависимости от чередования об­ластей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип ра­боты плоскостного триода р-n-р, т. е. трио­да на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзисто­ра), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмит­тером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направ­лении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в об­ратном направлении.

Усиливаемое переменное напряжение подается на вход­ное сопротивление R_вх, а усиленное — снимается с выходного сопротивления R_вых.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями то­ка) и сопровождается их «впрыскивани­ем» — инжекцией — в область базы. Про­никшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряжен­ному коллектору), и изменяют ток коллек­тора. Следовательно, всякое изменение то­ка в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и ба­зой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных со­противлений и напряжения батареи Б_к. Обычно R_вых>>R_вх, поэтому U_вых значи­тельно превышает входное напряжение U_вх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, вы­деляемая в R

вых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзи­стор дает и усиление мощности. Эта уси­ленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь кол­лектора.

Из рассмотренного следует, что тран­зистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется на­пряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодно­му току лампы, управляется напряжени­ем на базе.

Принцип работы транзистора n-р-n—тнпа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существу­ют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благо­даря своим преимуществам перед элек­тронными лампами (малые габаритные

406

размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэто­му потребление меньшей мощности), от­сутствие необходимости в вакууме и т. д.)

транзистор совершил революцию в об­ласти электронных средств связи и обеспе­чил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?

• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.

• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?

• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?

• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.

• Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17 °С. Принимая ширину запрещенной зоны крем­ния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.

* Дж. Стокс (1819—1903) — английский физик и математик.

Диод, триод, плазма, Реферат заказан в СТУДЕНТ ЦЕНТР

 Диод , Триод , плазма. Диод — вакуумный или полупровод никовый прибор , пропускающий электрический т ок только одного направления и имеющий дв а вывода для включения в электрическую це пь. Вакуумный диод (двух электродная электрон ная лампа ) представляет собой стеклянный или металлический баллон , из которого выкачан воздух , и дв ух металлических электродов : накаливаемого катода и холодного анода . Катод бывает двух типов : прямого накала и косвенного накала . В первом случае катод представляет собой нить , по которой прохо дит накаливающий её ток , а во втором — покрытый слоем металла с малой раб отой выхода цилиндр , внутри которого находитс я нить накала , электрически изолированная от катода . Действие катода как источника эле ктронов основано на явлении термоэлектронной миссии . На рисунке 1 показано устройство вакуум ного диода с катодом к о свенного накала. Недостатком катодов прямого накала являет ся то , что они не пригодны для питания их переменным током , так как при изме нениях тока температура нити успевает изменит ься , и поток излучаемых электронов пульсирует с частотой питающего тока. Двух электродная электронная лампа была изобретена в 1904 физиком Дж . Флемингом Полупроводниковый диод — полупроводниковый при бор р — н — переходом . Рабочий элемент — криста лл германия , обладающий проводимостью н – тип а за счёт небольшой добавки донорной прим еси Для создания в нём р– н-переходов в одну из его поверхностей вплавляют и ндий . Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германи я образуется область р — типа . Остальная ча сть германия по-прежнему остаётся н — типа . Между эт и ми двумя областями возни кает р-н-переход . Для предотвращения вредных во здействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус . устройство и схематическое изображение полупроводникового диода : Достоинствами полупроводниковых диодов явл яются малые размеры и масса , длительны й срок службы , высокая механическая прочность ; недостатком — зависимость их параметров от температуры. Вольт — амперная характеристика диода (при большом напряжении сила тока достигает н аибольшей величины — ток насыщени я ) имеет нелинейный характер , поэтому свойства диода оцениваются крутизной характеристики и внутрен ним сопротивлением. ТРИОД — электронная лампа , имеющая три электрода : катод , анод , управляющую сетку . Изобр етён в 1906 Ли Де Форестом . Подавая на сет ку напр яжение и меняя его величину и полярность , можно управлять электронным п отоком внутри лампы , т . е . изменять величин у анодного тока . Поэтому сетку называют уп равляющей . Она расположена ближе к катоду , чем к аноду . Поэтому изменение напряжения на сетке сильн е е влияет на величину анодного тока , чем такое же измен ение анодного напряжения . В основном триод используют в качестве усилителя. Коэффициент усиления (показывает , во сколь ко раз приращение анодного напряжения должно быть больше приращения сеточного напряж ения для изменения силы тока на о динаковую величину ) : ПЛАЗМА — частично или полностью ионизиро ванный газ , в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаков ы . В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряд е в газе , в процессах горения и взрыва . Когда луч лазера сфокусировали линзой , в воздухе в области фокуса вспыхнула искра , и там о бразовалась плазма . Это вызвало огромный инте рес у физиков . Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны . Энергия каждого фотона рубинового лазера рав на 1, 78 эВ . Далее свободный электрон , поглощая фотоны , достигает энергии 10 эВ , достаточной д ля ионизации и рождения нового эле к трона в процессе столкновения с атома ми среды . Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом , на него невозможно смотреть без тёмных очков . Необычайно высокая темпер атура — уникальное свойство оптического заряда — пр е дставляет большие возможности для использования его в качестве источника с вета . Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние. Термин “плазма” в фи зике был введен в 1929 американс кими учен ыми И . Ленгмюром и Л . Тонксом. Носителями заряда в плазме являются э лектроны и , образовавшиеся в результате ионизации газа . Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы назыв ают степенью ионизации плазмы (а ). В зависимости от величины а говоря т о слабо ионизованной (а – доли проц ента ), частично ионизованной (а – несколько процентов ) к полностью ионизованной (а близк а к 100%) плазме. Средние кинетические энергии различных ти пов частиц , составляющих плазму , мог ут быть разными . Поэтому в общем случае плаз му характеризуют не одним значением температу ры , а несколькими – различают электронную температуру Т е , ионную температуру Т i и температуру нейтральн ых атомов Т а . Плазму с ионной температурой Т i 10 6 К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу ). Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света , газовых лазерах , МГД – генераторах и др.

Разница между диодом и триодом

3 июня 2021 г. 19 июля 2021 г. / ФИЗИКА / 2 минуты чтения

Разделите различия

Электрическая цепь состоит из трех компонентов: транзисторов, диода и триода. Каждый из них имеет разные части и имеет свои функции. Диод и триод в основном состоят из вакуумных ламп, потому что они не позволяют другим инертным газам мешать работе. Давайте кратко рассмотрим диод и триод ниже.

Диод:

Термин «дуо» означает «двое». Сам термин определяет, что диод представляет собой электронный компонент с двумя клеммами, который выполняет две основные основные функции: в основном проводит ток в одном направлении и имеет высокое сопротивление в другом.

Разработанный Дж. А. Флемингом в 1904 г. диодный вентиль состоит из двух электродов, помещенных в вакуумированную стеклянную оболочку. Один электрод называется катодом, он состоит из вольфрама, на который нанесен тонкий слой оксида бария. При нагревании катод испускает электроны. Этот электрон течет к другому электроду, называемому анодом или пластиной. Который находится под положительным потенциалом и в результате в цепи распространяется электрический ток. Электроны, испускаемые катодом, собираются в оцениваемом пространстве вокруг него. Этот набор электронов называется пространственным зарядом, который, очевидно, отрицателен. Диодный вентиль действует как выпрямитель. Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное.

Триод:

Как и диод триод означает три. Триод представляет собой вакуумную трубку электронного усилителя, состоящую из трех электродов внутри вакуумированной стеклянной оболочки. Три электрона внутри вакуумированной стеклянной оболочки представляют собой нагретую нить или катод, сетку и пластину, также называемую анодом.

Триодный вентиль разработан Ли Де Форестом в 1907 году, триодный вентиль представляет собой модифицированную форму обычного диода и состоит из обычной пары анода, катода и еще одного электрода, называемого управляющей сеткой. Триодная лампа может использоваться в качестве усилителя, генератора, передатчика и детектора.

Разница между диодом и триодом:
Триод

Диод	Триод
Диод представляет собой двухконтактный компонент.	Триод представляет собой трехконтактный компонент.
Основная функция диода заключается в том, чтобы проводить ток в одном направлении и иметь сопротивление в другом.	Триод — ламповый электронный усилитель
Состоит из двух электродов.	Состоит из трех электродов.
состоит из выпрямителя, который преобразует напряжение в постоянное напряжение	Не имеет выпрямителя
Диод в основном используется для преобразования переменного тока в постоянный, микширования сигналов и т. д.,	в основном используется в качестве усилителя, генератора и детектора.

Вывод:

Основное различие между диодом и триодом заключается в том, что диод представляет собой электронный компонент с двумя выводами, который позволяет току течь в одном направлении, а триод представляет собой усиливающую вакуумную лампу с одной сеткой, имеющую три активных электрода. .

Если вы хотите узнать больше о различиях между проводниками и изоляторами, нажмите здесь.




Расскажи о различиях

Формулы теории работы диодного клапана / лампы » Заметки по электронике

Диодный вентиль или вакуумная лампа могут использоваться в качестве выпрямителя, и в дополнение к этому их работа составляет основу работы, на которой построены другие формы вентиля или трубки.

---

Вакуумная трубка / термоэмиссионные клапаны Включает:
Основы Как работает трубка Вакуумные трубчатые электроды Диодный клапан/трубка Триод Тетрод Луч Тетрод Пентод Эквиваленты Штыревые соединения Системы нумерации Гнезда / основания клапанов Лампа бегущей волны

---

Диодная лампа или трубка все еще широко используются, и в прошлые годы использовалось огромное количество этих устройств.

Диодный клапан является самым простым из всех термоэлектронных или ламповых устройств, имеющих только два активных электрода, тем не менее, он по-прежнему является важным компонентом, работу которого необходимо понимать, если необходимо понять другие формы технологии электронных ламп или термоэмиссионных клапанов.

Современный ламповый/ламповый усилитель

Основы диодных ламп

Наиболее простой формой диодной лампы или вакуумной лампы является диод. Он состоит из двух проводящих электродов, помещенных в вакуумированную стеклянную оболочку. Они называются катод и анод.

Катод нагревают и обнаруживают, что электроны «выкипают» с электрода в результате энергии, которую они имеют в результате нагрева.

Отрицательно заряженные электроны оставляют положительный заряд на катоде, который стремится притянуть их назад, и в результате вокруг катода существует облако электронов, интенсивность которого уменьшается по мере увеличения расстояния от катода. Те электроны, которые путешествуют дальше всех, имеют наибольшую энергию.

Тем не менее обнаружено, что если между катодом и анодом поместить резистор, то будет видно, что ток действительно течет за счет электронов, испускаемых катодом.

Если между анодом и катодом диодной лампы поместить резистор, то потечет ток

. катод через внешний резистор.

Видно, что электронный ток может течь от катода к аноду в результате выхода электронов из катода, но электроны не могут покинуть анод.

В результате ток может течь только в одном направлении. Следовательно, если на диодную лампу или диодную трубку подается переменный сигнал, то он пропускает только половину цикла, тем самым исправляя сигнал.

Если немного изменить схему и подать на анод положительный потенциал, то он будет притягивать дополнительные электроны, и в результате батареи потечет ток. Опять ток может течь только в одном направлении.

Базовая работа диодного вентиля или трубки

Эта функция может использоваться для выпрямления входной мощности линии или сети, позволяя создавать постоянный ток, мощность постоянного тока из переменного тока, потребляемую переменным током. Его также можно использовать для обнаружения радиосигналов, и фактически он был первым, использованным для термоэлектронных клапанов или электронных ламп. Амброузу Флемингу из Университетского колледжа Лондона впервые пришла в голову идея обнаружения сигналов с помощью диодной лампы.

Ранний выпрямительный клапан Marconi U5

Диодный клапан косвенного нагрева

Ранние диодные лампы использовали катод прямого нагрева. Он состоял из нагревательного элемента, который также действовал как катод. Это существенно ограничивало работу этих устройств. Использование переменного тока для нагревателей позволило трансформатору обеспечить питание нагревателя непосредственно от входящей сети, тем самым снизив эксплуатационные расходы, так как батареи были недолгими и дорогими:

• Наведенный шум:   Когда переменный ток использовался для питания клапанов с прямым нагревом, было обнаружено, что переменный ток влияет на работу клапана, и некоторый переменный ток может накладываться на выходной сигнал.
• Катод с прямым нагревом подключен к источнику питания нагревателя: Катод с прямым нагревом означает, что катод подключен к напряжению нагревателя, что предотвращает использование общего источника питания нагревателя для нескольких клапанов, которым могут потребоваться разные напряжения на катоде.

Решение обеих проблем заключалось в использовании электрически разделенного нагревательного элемента, который использовался для нагрева катода. Этот метод, известный как непрямой нагрев, почти повсеместно используется для всех ламп, будь то диодные лампы, триоды или что-то еще.

Выпрямитель с полуволновым диодным вентилем

Простейшей формой выпрямителя с диодной лампой является однополупериодный выпрямитель. Для этого требуется только использование выпрямителя с одним диодным вентилем. Однако он не так эффективен, как некоторые другие формы выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель с вентилем/лампой

Можно видеть, что если сигнал переменного тока подается на диодный вентиль или диодную трубку, он проводит более половины волны, а не другую. Это означает, что при выпрямлении сигналов переменного тока эффективность составляет всего 50%, так как используется половина сигнала, а другая половина отбрасывается.

Двухполупериодный вентильный выпрямитель

Чтобы использовать обе половины цикла альтернативной формы волны, можно использовать двухполупериодный выпрямитель. Точно так же, как это может быть реализовано с помощью полупроводниковых диодов, того же можно добиться с помощью диодных ламп. Фактически двухполупериодные диодные лампы выпрямителя доступны с одним устройством, содержащим два выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель с вентилем/лампой

В схеме двухполупериодного выпрямителя разные диоды в выпрямителе обрабатывают разные половины формы волны. Таким образом, обе половины сигнала используются. Кроме того, тот факт, что время между пиками короче, означает, что сглаживание сигнала становится намного проще.

Как видно на диаграмме, были доступны двухполупериодные вентили/трубки выпрямителя. Они содержали два анода и один катод, что позволяло выполнять двухполупериодное выпрямление с использованием одного клапана.

Еще один момент, который следует отметить, это то, что диоды выпрямителя источника питания часто использовали отдельный источник питания 5 В, тогда как общий стандарт для нагревателей, используемых для самого оборудования, составлял 6,3 В, хотя часто использовались другие напряжения.

Детектор сигнала диодного клапана

Амброуз Флеминг изобрел первый диодный вентиль, исследуя обнаружение или демодуляцию радиосигнала. Фактически детектор с диодным вентилем можно использовать для амплитудно-модулированных сигналов.

Действие выпрямителя с диодной лампой можно увидеть ниже, где демодулируется амплитудно-модулированный сигнал, состоящий из несущей переменной амплитуды. Для восстановления модуляции сигнал выпрямляется, а затем удаляется несущая с использованием конденсатора в качестве высокочастотного фильтра.

Обнаружение/демодуляция сигнала

Это очень простая, но эффективная форма АМ-демодуляции, хотя и имеет свои недостатки. Уровни искажения могут быть высокими, потому что характеристика диода не будет полностью линейной, и эта форма диодного детектора также подвержена искажениям, возникающим в результате избирательного затухания — проблема, которая очевидна в полосах частот, обычно используемых для передачи с амплитудной модуляцией.

Теория диодного клапана, работа и формулы

Диодный вентиль или диодная электровакуумная лампа относительно легко использовать в цепи, чтобы действовать как силовой выпрямитель или детектор сигнала.

Однако базовая теория и некоторые графики и формулы могут помочь понять работу схем, в которых они могут использоваться.

Теория анодного тока и напряжения диода

Зависимость между током, протекающим в цепи, и анодным напряжением показана на диаграмме ниже.

Видно, что пределы тока для любой заданной температуры катода. Причина этого в том, что при достижении достаточно высокого анодного напряжения анод оттягивает все электроны, испускаемые катодом. Поскольку количество электронов, испускаемых катодом, зависит от его температуры, это становится общим ограничивающим фактором для данного материала катода.

Характеристики анодного тока и напряжения диода

При умеренном или низком анодном напряжении ток анода меньше максимальной эмиссии катода. Причина этого в том, что электроны, путешествующие в пространстве между катодом и анодом, создают отрицательный объемный заряд. Это уменьшает притяжение положительного потенциала на аноде.

В результате это означает, что общее число проходящих электронов в любой данный момент времени не может превышать число, обеспечивающее отрицательный объемный заряд, который полностью нейтрализует электростатическое поле, создаваемое анодным потенциалом на поверхности катода.

Теория распределения потенциала катод-анод диода

Если исследовать пространственный заряд в промежутке между катодом и анодом, можно увидеть интересное распределение потенциала.

Установлено, что отрицательный заряд электронов вблизи катода дает небольшой отрицательный потенциал по отношению к катоду.