Mạch chuyển mạch cho bóng bán dẫn lưỡng cực. Bóng bán dẫn là gì - loại thiết bị bán dẫn và phương pháp thử nghiệm

Nguyên lý điều khiển bán dẫn của dòng điện được biết đến vào đầu thế kỷ XX. Mặc dù các kỹ sư điện tử biết bóng bán dẫn hoạt động như thế nào nhưng họ vẫn tiếp tục thiết kế các thiết bị dựa trên ống chân không. Lý do khiến người ta không tin tưởng vào triode bán dẫn là do sự không hoàn hảo của các bóng bán dẫn điểm-điểm đầu tiên. Họ bóng bán dẫn germanium không có đặc tính ổn định và phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ.

Các bóng bán dẫn silicon nguyên khối chỉ bắt đầu cạnh tranh nghiêm túc với các ống chân không vào cuối những năm 50. Kể từ thời điểm đó, ngành công nghiệp điện tử bắt đầu phát triển nhanh chóng và các bóng đèn bán dẫn nhỏ gọn đã tích cực thay thế các loại đèn tiêu tốn nhiều năng lượng trong mạch thiết bị điện tử. Với sự ra đời của các mạch tích hợp, nơi số lượng bóng bán dẫn có thể lên tới hàng tỷ, thiết bị điện tử bán dẫn đã giành được chiến thắng vang dội trong cuộc chiến thu nhỏ các thiết bị.

Transistor là gì?

Theo nghĩa hiện đại, bóng bán dẫn là một phần tử vô tuyến bán dẫn được thiết kế để thay đổi các thông số của dòng điện và điều khiển nó. Một triode bán dẫn thông thường có ba cực: một đế nhận tín hiệu điều khiển, một bộ phát và một bộ thu. Ngoài ra còn có các bóng bán dẫn tổng hợp công suất cao.

Quy mô kích thước của các thiết bị bán dẫn rất đáng kinh ngạc - từ vài nanomet (các phần tử không đóng gói được sử dụng trong vi mạch) đến đường kính cm đối với các bóng bán dẫn mạnh mẽ dành cho các nhà máy điện và thiết bị công nghiệp. Điện áp ngược của triode công nghiệp có thể lên tới 1000 V.

Thiết bị

Về mặt cấu trúc, triode bao gồm các lớp bán dẫn được bao bọc trong vỏ. Chất bán dẫn là vật liệu dựa trên silicon, germanium, gallium arsenide và các nguyên tố hóa học khác. Ngày nay, nghiên cứu đang được tiến hành để chuẩn bị một số loại polyme nhất định, thậm chí cả ống nano carbon, cho vai trò của vật liệu bán dẫn. Rõ ràng trong tương lai gần chúng ta sẽ tìm hiểu về các tính chất mới của bóng bán dẫn hiệu ứng trường graphene.

Trước đây, các tinh thể bán dẫn được đặt trong các hộp kim loại ở dạng nắp có ba chân. Thiết kế này là điển hình cho bóng bán dẫn điểm-điểm.

Ngày nay, các thiết kế của hầu hết các thiết bị phẳng, kể cả các thiết bị bán dẫn silicon, đều được chế tạo trên cơ sở một tinh thể duy nhất được pha tạp ở một số bộ phận nhất định. Chúng được ép vào vỏ nhựa, kim loại thủy tinh hoặc gốm kim loại. Một số trong số chúng có các tấm kim loại nhô ra để tản nhiệt, được gắn vào bộ tản nhiệt.

Các điện cực của bóng bán dẫn hiện đại được sắp xếp thành một hàng. Sự sắp xếp chân này thuận tiện cho việc lắp ráp bảng tự động. Các thiết bị đầu cuối không được đánh dấu trên vỏ. Loại điện cực được xác định từ sách tham khảo hoặc bằng phép đo.

Đối với bóng bán dẫn, người ta sử dụng các tinh thể bán dẫn có cấu trúc khác nhau, chẳng hạn như p-n-p hoặc n-p-n. Chúng khác nhau về cực tính của điện áp trên các điện cực.

Về mặt sơ đồ, cấu trúc của một bóng bán dẫn có thể được biểu diễn dưới dạng hai điốt bán dẫn cách nhau bởi một lớp bổ sung. (Xem Hình 1). Chính sự hiện diện của lớp này cho phép bạn kiểm soát độ dẫn điện của triode bán dẫn.

Cơm. 1. Cấu tạo của Transistor

Hình 1 thể hiện sơ đồ cấu trúc của triode lưỡng cực. Ngoài ra còn có một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường sẽ được thảo luận dưới đây.

Nguyên lý hoạt động cơ bản

Ở trạng thái nghỉ, không có dòng điện chạy giữa cực thu và cực phát của triode lưỡng cực. Dòng điện bị ngăn cản bởi điện trở của điểm nối bộ phát, phát sinh do sự tương tác của các lớp. Để bật bóng bán dẫn, bạn cần đặt một điện áp nhỏ vào đế của nó.

Hình 2 thể hiện sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt động của đèn ba cực.

Bằng cách kiểm soát dòng điện cơ sở, bạn có thể bật và tắt thiết bị. Nếu một tín hiệu tương tự được đưa vào đế, nó sẽ thay đổi biên độ của dòng điện đầu ra. Trong trường hợp này, tín hiệu đầu ra sẽ lặp lại chính xác tần số dao động ở điện cực cơ sở. Nói cách khác, tín hiệu điện nhận được ở đầu vào sẽ được khuếch đại.

Như vậy, triode bán dẫn có thể hoạt động ở chế độ chuyển mạch điện tử hoặc ở chế độ khuếch đại tín hiệu đầu vào.

Hoạt động của thiết bị ở chế độ chìa khóa điện tử có thể được hiểu từ Hình 3.

Ký hiệu trên sơ đồ

Định danh chung: "VT" hoặc "Q", theo sau là chỉ số vị trí. Ví dụ: VT 3. Trên các sơ đồ trước đó, bạn có thể tìm thấy các ký hiệu lỗi thời: “T”, “PP” hoặc “PT”. Bóng bán dẫn được mô tả dưới dạng các đường biểu tượng biểu thị các điện cực tương ứng, có hình tròn hoặc không. Hướng của dòng điện trong bộ phát được biểu thị bằng một mũi tên.

Hình 4 cho thấy một mạch ULF trong đó các bóng bán dẫn được chỉ định theo một cách mới và Hình 5 hiển thị hình ảnh sơ đồ của các loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác nhau.

Cơm. 4. Ví dụ về mạch ULF sử dụng triode

Các loại bóng bán dẫn

Dựa trên nguyên lý hoạt động và cấu tạo, triode bán dẫn được phân biệt:

• cánh đồng;
• lưỡng cực;
• kết hợp.

Các bóng bán dẫn này thực hiện các chức năng giống nhau nhưng có sự khác biệt về nguyên lý hoạt động.

Cánh đồng

Loại triode này còn được gọi là đơn cực, do tính chất điện của nó - chúng chỉ mang dòng điện có một cực. Dựa trên cấu trúc và loại điều khiển, các thiết bị này được chia thành 3 loại:

1. Các bóng bán dẫn có tiếp giáp p-n điều khiển (Hình 6).
2. Với một cổng cách nhiệt (có sẵn với kênh tích hợp hoặc cảm ứng).
3. MIS, có cấu trúc: kim loại-điện môi-dây dẫn.

Một đặc điểm khác biệt của cổng cách nhiệt là sự hiện diện của chất điện môi giữa nó và kênh.

Các bộ phận rất nhạy cảm với tĩnh điện.

Mạch của triode trường được hiển thị trong Hình 5.

Hãy chú ý đến tên của các điện cực: cống, nguồn và cổng.

Transistor hiệu ứng trường tiêu thụ rất ít năng lượng. Chúng có thể hoạt động hơn một năm với pin nhỏ hoặc pin sạc. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại như điều khiển từ xa, thiết bị di động, v.v.

Lưỡng cực

Người ta đã nói nhiều về loại bóng bán dẫn này trong tiểu mục “Nguyên lý hoạt động cơ bản”. Chúng ta chỉ cần lưu ý rằng thiết bị này có tên là Lưỡng cực vì khả năng truyền các điện tích trái dấu qua một kênh. Đặc điểm của chúng là trở kháng đầu ra thấp.

Transitor khuếch đại tín hiệu và hoạt động như thiết bị chuyển mạch. Một tải khá mạnh có thể được kết nối với mạch thu. Do dòng thu cao, điện trở tải có thể giảm.

Chúng ta hãy xem xét cấu trúc và nguyên lý hoạt động chi tiết hơn dưới đây.

kết hợp

Để đạt được các thông số điện nhất định từ việc sử dụng một phần tử riêng biệt, các nhà phát triển bóng bán dẫn đã phát minh ra các thiết kế kết hợp. Trong số đó có:

• với các điện trở nhúng và mạch điện của chúng;
• sự kết hợp của hai triode (cấu trúc giống nhau hoặc khác nhau) trong một gói;
• điốt lambda - sự kết hợp của hai triode hiệu ứng trường tạo thành một phần có điện trở âm;
• thiết kế trong đó triode hiệu ứng trường có cổng cách điện điều khiển triode lưỡng cực (dùng để điều khiển động cơ điện).

Trên thực tế, các bóng bán dẫn kết hợp là một vi mạch cơ bản được gói gọn trong một gói.

Transistor lưỡng cực hoạt động như thế nào? Hướng dẫn cho người giả

Hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực dựa trên tính chất của chất bán dẫn và sự kết hợp của chúng. Để hiểu nguyên lý hoạt động của triode, chúng ta hãy tìm hiểu hoạt động của chất bán dẫn trong mạch điện.

Chất bán dẫn.

Một số tinh thể, chẳng hạn như silicon, germanium, v.v., là chất điện môi. Nhưng chúng có một đặc điểm - nếu bạn thêm một số tạp chất nhất định, chúng sẽ trở thành chất dẫn điện có các đặc tính đặc biệt.

Một số chất phụ gia (chất cho) dẫn đến sự xuất hiện của các electron tự do, trong khi những chất khác (chất nhận) tạo ra các “lỗ trống”.

Ví dụ, nếu silicon được pha tạp phốt pho (chất cho), chúng ta thu được một chất bán dẫn có lượng electron dư (cấu trúc n-Si). Bằng cách thêm boron (chất nhận), silicon pha tạp sẽ trở thành chất bán dẫn dẫn lỗ trống (p-Si), nghĩa là cấu trúc của nó sẽ bị chi phối bởi các ion tích điện dương.

Dẫn truyền một chiều.

Chúng ta hãy tiến hành một thí nghiệm tưởng tượng: kết nối hai loại chất bán dẫn khác nhau với một nguồn điện và cung cấp dòng điện cho thiết kế của chúng ta. Một điều gì đó bất ngờ sẽ xảy ra. Nếu bạn nối dây âm với tinh thể loại n thì mạch sẽ hoàn thành. Tuy nhiên, khi đảo cực thì trong mạch sẽ không có điện. Tại sao chuyện này đang xảy ra?

Là kết quả của việc kết nối các tinh thể với các loại độ dẫn khác nhau, một vùng có điểm nối p-n được hình thành giữa chúng. Một số electron (hạt mang điện) từ tinh thể loại n sẽ chảy vào tinh thể có lỗ trống dẫn điện và kết hợp lại các lỗ trống trong vùng tiếp xúc.

Kết quả là, các điện tích không bù phát sinh: ở vùng loại n - từ các ion âm và ở vùng loại p từ các ion dương. Hiệu điện thế đạt giá trị từ 0,3 đến 0,6 V.

Mối quan hệ giữa điện áp và nồng độ tạp chất có thể được biểu thị bằng công thức:

φ= V T*ln( nn* Np)/n 2 i , ở đâu

V T – giá trị của ứng suất nhiệt động, nn Và Np – nồng độ của electron và lỗ trống tương ứng, và n i biểu thị nồng độ nội tại.

Khi nối cực dương với dây dẫn p và cực âm với chất bán dẫn loại n, các điện tích sẽ vượt qua rào cản vì chuyển động của chúng sẽ hướng vào điện trường bên trong tiếp giáp p-n. Trong trường hợp này, quá trình chuyển đổi được mở. Nhưng nếu các cực bị đảo ngược thì quá trình chuyển đổi sẽ bị đóng lại. Do đó kết luận: tiếp giáp p-n tạo thành độ dẫn điện một chiều. Tính chất này được sử dụng trong thiết kế điốt.

Từ diode đến bóng bán dẫn.

Hãy làm phức tạp thí nghiệm. Hãy thêm một lớp khác vào giữa hai chất bán dẫn có cấu trúc giống nhau. Ví dụ, giữa các tấm silicon loại p, chúng tôi chèn một lớp dẫn điện (n-Si). Không khó để đoán điều gì sẽ xảy ra ở các vùng tiếp xúc. Bằng cách tương tự với quá trình được mô tả ở trên, các vùng có tiếp giáp p-n được hình thành sẽ ngăn chặn sự chuyển động của điện tích giữa bộ phát và bộ thu, bất kể cực tính của dòng điện.

Điều thú vị nhất sẽ xảy ra khi chúng ta đặt một điện áp nhẹ lên lớp (đế). Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi sẽ áp dụng một dòng điện có dấu âm. Như trong trường hợp của một diode, một mạch cực phát được hình thành để dòng điện chạy qua. Đồng thời, lớp sẽ bắt đầu bão hòa với các lỗ, điều này sẽ dẫn đến sự dẫn điện qua lỗ giữa bộ phát và bộ thu.

Nhìn vào Hình 7. Nó cho thấy các ion dương đã lấp đầy toàn bộ không gian của cấu trúc có điều kiện của chúng ta và bây giờ không có gì cản trở sự dẫn truyền của dòng điện. Chúng ta đã thu được mô hình trực quan của một bóng bán dẫn lưỡng cực có cấu trúc p-n-p.

Khi đế bị mất điện, bóng bán dẫn sẽ nhanh chóng trở lại trạng thái ban đầu và điểm nối bộ thu sẽ đóng lại.

Thiết bị cũng có thể hoạt động ở chế độ khuếch đại.

Dòng cực góp tỉ lệ thuận với dòng cực nền : TÔIĐẾN= ß* TÔIB , Ở đâu ß – lợi ích hiện tại, TÔIB – dòng điện cơ sở.

Nếu bạn thay đổi giá trị của dòng điện điều khiển, cường độ hình thành lỗ trên đế sẽ thay đổi, điều này sẽ kéo theo sự thay đổi tỷ lệ về biên độ của điện áp đầu ra, trong khi vẫn duy trì tần số tín hiệu. Nguyên tắc này được sử dụng để khuếch đại tín hiệu.

Bằng cách áp các xung yếu vào đế, ở đầu ra, chúng ta có cùng tần số khuếch đại, nhưng với biên độ lớn hơn nhiều (được đặt bằng điện áp đặt vào mạch thu-phát).

Các bóng bán dẫn NPN hoạt động theo cách tương tự. Chỉ có cực của điện áp thay đổi. Các thiết bị có cấu trúc n-p-n có độ dẫn điện trực tiếp. Transistor loại pnp có độ dẫn ngược.

Cần phải nói thêm rằng tinh thể bán dẫn phản ứng theo cách tương tự với phổ tia cực tím của ánh sáng. Bằng cách bật và tắt dòng photon hoặc điều chỉnh cường độ của nó, bạn có thể điều khiển hoạt động của triode hoặc thay đổi điện trở của điện trở bán dẫn.

Mạch kết nối Transistor lưỡng cực

Các nhà thiết kế mạch sử dụng các sơ đồ kết nối sau: với đế chung, điện cực bộ phát chung và kết nối với bộ thu chung (Hình 8).

Bộ khuếch đại có đế chung được đặc trưng bởi:

• trở kháng đầu vào thấp, không vượt quá 100 Ohms;
• đặc tính nhiệt độ tốt và đặc tính tần số của triode;
• điện áp cao cho phép;
• cần có hai nguồn năng lượng khác nhau.

Các mạch phát thông thường có:

• tăng dòng điện và điện áp cao;
• tăng công suất thấp;
• đảo ngược điện áp đầu ra so với đầu vào.

Với kết nối này, một nguồn điện là đủ.

Sơ đồ kết nối dựa trên nguyên tắc “bộ thu chung” cung cấp:

• điện trở đầu vào cao và đầu ra thấp;
• hệ số khuếch đại điện áp thấp (< 1).

Transistor hiệu ứng trường hoạt động như thế nào? Giải thích cho người ngu

Cấu trúc của bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác với bóng bán dẫn lưỡng cực ở chỗ dòng điện trong nó không đi qua vùng tiếp giáp p-n. Các điện tích di chuyển qua một khu vực được kiểm soát gọi là cổng. Thông lượng cổng được điều khiển bằng điện áp.

Không gian của vùng p-n giảm hoặc tăng dưới tác dụng của điện trường (xem Hình 9). Số lượng hạt mang điện tự do thay đổi tương ứng - từ phá hủy hoàn toàn đến bão hòa cực độ. Do hiệu ứng này trên cổng, dòng điện ở các điện cực thoát nước (các tiếp điểm tạo ra dòng điện đã xử lý) được điều chỉnh. Dòng điện đến chạy qua các tiếp điểm nguồn.

Triode trường có kênh tích hợp và kênh cảm ứng hoạt động theo nguyên tắc tương tự. Bạn đã thấy sơ đồ của họ trong Hình 5.

Mạch kết nối bóng bán dẫn hiệu ứng trường

Trong thực tế, sơ đồ kết nối được sử dụng tương tự với triode lưỡng cực:

• với một nguồn chung - tạo ra mức tăng lớn về dòng điện và công suất;
• mạch cổng chung cung cấp trở kháng đầu vào thấp và mức tăng không đáng kể (được sử dụng hạn chế);
• mạch thoát chung hoạt động giống như mạch phát chung.

Hình 10 cho thấy các sơ đồ kết nối khác nhau.

Hầu hết mọi mạch đều có khả năng hoạt động ở điện áp đầu vào rất thấp.

Video giải thích nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn bằng ngôn ngữ đơn giản

Đây là một thứ xảo quyệt khi dòng điện chỉ truyền theo một hướng. Nó có thể được so sánh với một núm vú. Ví dụ, nó được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu khi dòng điện xoay chiều được chuyển đổi thành dòng điện một chiều. Hoặc khi bạn cần tách điện áp ngược khỏi điện áp chuyển tiếp. Nhìn vào mạch lập trình viên (trong đó có một ví dụ về bộ chia). Bạn thấy có điốt, bạn nghĩ tại sao? Nó đơn giản. Đối với bộ vi điều khiển, các mức logic là 0 và 5 volt, và đối với cổng COM, một là âm 12 volt và 0 là cộng 12 volt. Vì vậy, diode cắt âm 12 này, tạo thành 0 volt. Và vì độ dẫn điện của diode theo chiều thuận không lý tưởng (nó thường phụ thuộc vào điện áp thuận đặt vào; giá trị càng cao thì diode dẫn dòng điện càng tốt), nên điện trở của nó sẽ giảm khoảng 0,5-0,7 volt, phần còn lại là chia đôi cho các điện trở, sẽ có điện áp xấp xỉ 5,5 volt, nằm trong giới hạn bình thường của bộ điều khiển.
Các dây dẫn của diode được gọi là cực dương và cực âm. Dòng điện chạy từ cực dương đến cực âm. Rất dễ nhớ vị trí của mỗi đầu ra: trên biểu tượng có một mũi tên và một cây gậy ở bên cạnh ĐẾN nó giống như vẽ một lá thư ĐẾNđây nhìn này - ĐẾN|—. K=Cực âm! Và trên phần cực âm được biểu thị bằng một sọc hoặc một dấu chấm.

Có một loại diode thú vị khác - điốt zener. Tôi đã sử dụng nó trong một trong những bài viết trước. Điểm đặc biệt của nó là ở chỗ theo hướng thuận, nó hoạt động giống như một diode thông thường, nhưng theo hướng ngược lại, nó bị đứt ở một điện áp nào đó, chẳng hạn như 3,3 volt. Tương tự như van giới hạn của nồi hơi, mở ra khi vượt quá áp suất và giải phóng lượng hơi dư thừa. Điốt Zener được sử dụng khi chúng muốn đạt được điện áp có giá trị nhất định, bất kể điện áp đầu vào. Ví dụ, đây có thể là một giá trị tham chiếu để so sánh tín hiệu đầu vào. Họ có thể cắt tín hiệu đến thành giá trị mong muốn hoặc sử dụng nó làm biện pháp bảo vệ. Trong các mạch của mình, tôi thường sử dụng một diode zener 5,5 volt để cấp nguồn cho bộ điều khiển, để nếu có chuyện gì xảy ra, nếu điện áp tăng đột ngột, diode zener này sẽ tự xả phần dư thừa qua chính nó. Ngoài ra còn có một con thú như một kẻ đàn áp. Cùng một diode zener, chỉ mạnh hơn nhiều và thường có hai chiều. Dùng để bảo vệ nguồn điện.

Transistor.

Đó là một điều khủng khiếp, khi còn nhỏ tôi không thể hiểu nó hoạt động như thế nào, nhưng hóa ra nó lại đơn giản.
Nói chung, một bóng bán dẫn có thể được so sánh với một van được điều khiển, trong đó chỉ với một nỗ lực nhỏ, chúng ta có thể điều khiển một dòng chảy mạnh. Anh ta xoay tay cầm một chút và hàng tấn phân tràn qua đường ống, anh ta mở mạnh hơn và bây giờ mọi thứ xung quanh chìm trong nước thải. Những thứ kia. Đầu ra tỷ lệ thuận với đầu vào nhân với một giá trị nào đó. Giá trị này là lợi ích.
Các thiết bị này được chia thành trường và lưỡng cực.
Transistor lưỡng cực có máy phát, người sưu tầm Và căn cứ(xem hình ảnh của biểu tượng). Bộ phát có mũi tên, phần đế được chỉ định là vùng thẳng giữa bộ phát và bộ thu. Có một dòng tải lớn giữa bộ phát và bộ thu, hướng của dòng điện được xác định bởi mũi tên trên bộ phát. Nhưng giữa đế và bộ phát có một dòng điều khiển nhỏ. Nói một cách đại khái, cường độ dòng điện điều khiển ảnh hưởng đến điện trở giữa cực thu và cực phát. Transistor lưỡng cực có hai loại: p-n-p Và n-p-n sự khác biệt cơ bản chỉ là hướng của dòng điện chạy qua chúng.

Bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác với bóng bán dẫn lưỡng cực ở chỗ điện trở của kênh giữa nguồn và cực máng không được xác định bởi dòng điện mà bởi điện áp ở cổng. Gần đây, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường đã trở nên vô cùng phổ biến (tất cả các bộ vi xử lý đều được chế tạo dựa trên chúng), bởi vì dòng điện chạy trong chúng rất nhỏ, điện áp đóng vai trò quyết định, nghĩa là tổn thất và sinh nhiệt là tối thiểu.

Nói tóm lại, bóng bán dẫn sẽ cho phép bạn nhận được tín hiệu yếu, ví dụ từ chân của vi điều khiển,... Nếu mức tăng của một bóng bán dẫn là không đủ, thì chúng có thể được kết nối theo tầng - nối tiếp nhau, ngày càng mạnh hơn. Và đôi khi một người lính hùng mạnh là đủ MOSFET bóng bán dẫn. Ví dụ, hãy xem cách cảnh báo rung được điều khiển trong các mạch điện thoại di động. Ở đó đầu ra từ bộ xử lý đi đến cổng nguồn MOSFET chìa khóa

Những lời giải thích cần thiết đã được đưa ra, hãy đi vào vấn đề.

Linh kiện bán dẫn. Định nghĩa và lịch sử

bóng bán dẫn- một thiết bị bán dẫn điện tử trong đó dòng điện trong mạch gồm hai điện cực được điều khiển bởi điện cực thứ ba. (bóng bán dẫn.ru)

Rất nhanh chóng, bóng bán dẫn đã thay thế đèn chân không trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau. Về vấn đề này, độ tin cậy của các thiết bị như vậy đã tăng lên và kích thước của chúng giảm đáng kể. Và cho đến ngày nay, vi mạch dù có “tinh vi” đến đâu thì nó vẫn chứa nhiều bóng bán dẫn (cũng như điốt, tụ điện, điện trở, v.v.). Chỉ những cái rất nhỏ.

Nhân tiện, ban đầu “bóng bán dẫn” là điện trở có điện trở có thể thay đổi bằng lượng điện áp đặt vào. Nếu chúng ta bỏ qua tính chất vật lý của các quá trình, thì một bóng bán dẫn hiện đại cũng có thể được biểu diễn dưới dạng điện trở phụ thuộc vào tín hiệu cung cấp cho nó.

Sự khác biệt giữa bóng bán dẫn hiệu ứng trường và bóng bán dẫn lưỡng cực là gì? Câu trả lời nằm ở chính cái tên của họ. Trong một bóng bán dẫn lưỡng cực, quá trình truyền điện tích bao gồm Vàđiện tử, Và lỗ ("encore" - hai lần). Và trong lĩnh vực này (còn gọi là đơn cực) - hoặcđiện tử, hoặc hố.

Ngoài ra, các loại bóng bán dẫn này khác nhau về lĩnh vực ứng dụng. Các lưỡng cực được sử dụng chủ yếu trong công nghệ tương tự và hiện trường - trong công nghệ kỹ thuật số.

Và cuối cùng: lĩnh vực ứng dụng chính của bất kỳ bóng bán dẫn nào- tăng cường tín hiệu yếu do có nguồn điện bổ sung.

Transistor lưỡng cực. Nguyên lý hoạt động. Các đặc điểm chính

Trước khi xem xét tính chất vật lý của cách thức hoạt động của bóng bán dẫn, chúng ta hãy phác thảo vấn đề chung.


Nó như sau: một dòng điện mạnh chạy giữa bộ phát và bộ thu ( Dòng thu), và giữa bộ phát và đế có dòng điện điều khiển yếu ( dòng cơ sở). Dòng thu sẽ thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi của dòng cơ sở. Tại sao?
Hãy xem xét các điểm nối p-n của bóng bán dẫn. Có hai trong số đó: cơ sở phát (EB) và cơ sở thu thập (BC). Trong chế độ hoạt động tích cực của bóng bán dẫn, cái đầu tiên trong số chúng được kết nối với độ phân cực thuận và cái thứ hai với độ phân cực ngược. Điều gì xảy ra ở tiếp giáp p-n? Để chắc chắn hơn, chúng ta sẽ xem xét bóng bán dẫn n-p-n. Đối với p-n-p, mọi thứ đều tương tự, chỉ cần thay từ “electron” bằng “lỗ trống”.

Vì tiếp giáp EB mở nên các electron dễ dàng “chạy ngang” tới đáy. Ở đó chúng kết hợp lại một phần với các lỗ, nhưng ồ Hầu hết trong số chúng, do độ dày nhỏ của đế và độ pha tạp thấp, có thể đạt được quá trình chuyển đổi cơ sở-thu. Như chúng ta nhớ, điều này có xu hướng ngược. Và vì các electron trong bazơ là những hạt mang điện thiểu số nên điện trường của quá trình chuyển đổi giúp chúng khắc phục được điều đó. Vì vậy, dòng cực thu chỉ nhỏ hơn dòng cực phát một chút. Bây giờ hãy coi chừng bàn tay của bạn. Nếu bạn tăng dòng điện cơ sở, điểm nối EB sẽ mở nhiều hơn và nhiều electron hơn có thể trượt giữa bộ phát và bộ thu. Và vì dòng cực góp ban đầu lớn hơn dòng cơ sở nên sự thay đổi này sẽ rất rất đáng chú ý. Như vậy, tín hiệu yếu nhận được ở cơ sở sẽ được khuếch đại. Một lần nữa, sự thay đổi lớn trong dòng điện thu phản ánh tỷ lệ của sự thay đổi nhỏ trong dòng điện cơ sở.

Tôi nhớ rằng nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực đã được giải thích cho bạn cùng lớp của tôi bằng ví dụ về vòi nước. Nước trong đó là dòng thu, còn dòng điều khiển cơ bản là mức độ chúng ta xoay núm. Một lực nhỏ (hành động điều khiển) là đủ để tăng lưu lượng nước từ vòi.

Ngoài các quá trình đã xem xét, một số hiện tượng khác có thể xảy ra tại các điểm nối p-n của bóng bán dẫn. Ví dụ, với sự gia tăng mạnh mẽ điện áp tại điểm nối cơ sở-thu, sự nhân lên của điện tích tuyết lở có thể bắt đầu do sự ion hóa tác động. Và cùng với hiệu ứng đường hầm, điều này trước tiên sẽ gây ra sự cố về điện, sau đó (với dòng điện ngày càng tăng) là sự cố về nhiệt. Tuy nhiên, hiện tượng đánh thủng nhiệt trong bóng bán dẫn có thể xảy ra mà không đánh thủng điện (tức là không tăng điện áp của bộ thu đến điện áp đánh thủng). Một dòng điện quá mức qua bộ thu sẽ đủ cho việc này.

Một hiện tượng khác là do khi điện áp trên các mối nối bộ thu và bộ phát thay đổi, độ dày của chúng cũng thay đổi. Và nếu đế quá mỏng thì có thể xảy ra hiệu ứng đóng lại (cái gọi là "đâm thủng" đế) - kết nối giữa điểm nối bộ thu và điểm nối bộ phát. Trong trường hợp này, vùng cơ sở biến mất và bóng bán dẫn ngừng hoạt động bình thường.

Dòng thu của bóng bán dẫn ở chế độ hoạt động bình thường của bóng bán dẫn lớn hơn dòng cơ sở một số lần nhất định. Số này được gọi là lợi ích hiện tại và là một trong những thông số chính của bóng bán dẫn. Nó được chỉ định h21. Nếu bóng bán dẫn được bật mà không tải trên bộ thu, thì ở điện áp bộ thu-bộ phát không đổi, tỷ lệ giữa dòng điện của bộ thu và dòng cơ sở sẽ cho tăng dòng tĩnh. Nó có thể bằng hàng chục hoặc hàng trăm đơn vị, nhưng cần xem xét thực tế là trong mạch thực, hệ số này nhỏ hơn do khi tải được bật, dòng điện thu sẽ giảm một cách tự nhiên.

Thông số quan trọng thứ hai là Điện trở đầu vào của bóng bán dẫn. Theo định luật Ohm, đó là tỷ số giữa điện áp giữa đế và bộ phát với dòng điện điều khiển của đế. Nó càng lớn thì dòng cơ sở càng thấp và mức tăng càng cao.

Tham số thứ ba của bóng bán dẫn lưỡng cực là tăng điện áp. Nó bằng tỷ số giữa biên độ hoặc giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đầu ra (bộ phát-bộ phát) và đầu vào (bộ phát cơ sở). Vì giá trị đầu tiên thường rất lớn (đơn vị và hàng chục vôn) và giá trị thứ hai rất nhỏ (phần mười vôn), nên hệ số này có thể đạt tới hàng chục nghìn đơn vị. Điều đáng chú ý là mỗi tín hiệu điều khiển cơ sở có mức tăng điện áp riêng.

Transistor cũng có phản hồi thường xuyên, đặc trưng cho khả năng khuếch đại tín hiệu của bóng bán dẫn có tần số gần bằng tần số khuếch đại giới hạn. Thực tế là khi tần số của tín hiệu đầu vào tăng thì mức tăng sẽ giảm. Điều này là do thời gian xảy ra các quá trình vật lý chính (thời gian chuyển động của các hạt tải điện từ bộ phát đến bộ thu, điện tích và phóng điện của các điểm nối rào cản điện dung) trở nên tương xứng với khoảng thời gian thay đổi của tín hiệu đầu vào. . Những thứ kia. Đơn giản là bóng bán dẫn không có thời gian để phản ứng với những thay đổi trong tín hiệu đầu vào và đến một lúc nào đó chỉ đơn giản là ngừng khuếch đại nó. Tần suất xảy ra điều này được gọi là ranh giới.

Ngoài ra, các thông số của bóng bán dẫn lưỡng cực là:

• bộ thu-phát dòng ngược
• kịp thời
• dòng điện thu ngược
• dòng điện tối đa cho phép

Các ký hiệu của bóng bán dẫn n-p-n và p-n-p chỉ khác nhau theo hướng mũi tên chỉ bộ phát. Nó cho thấy dòng điện chạy trong một bóng bán dẫn nhất định như thế nào.

Các chế độ hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực

1. Chế độ hoạt động nghịch đảo. Ở đây quá trình chuyển đổi BC mở, nhưng ngược lại, EB đóng. Tất nhiên, đặc tính khuếch đại ở chế độ này kém hơn bao giờ hết nên bóng bán dẫn rất hiếm khi được sử dụng ở chế độ này.
2. Chế độ bão hòa. Cả hai lối đi đều mở. Theo đó, các hạt mang điện chính của bộ thu và bộ phát “chạy” về cực gốc, nơi chúng tích cực kết hợp lại với các hạt mang điện chính của nó. Do sự dư thừa của các hạt mang điện, điện trở của các điểm nối bazơ và p-n giảm. Do đó, mạch chứa bóng bán dẫn ở chế độ bão hòa có thể được coi là ngắn mạch và bản thân phần tử vô tuyến này có thể được biểu diễn dưới dạng điểm đẳng thế.
3. Chế độ ngắt. Cả hai quá trình chuyển đổi của bóng bán dẫn đều đóng, tức là dòng điện của các hạt mang điện chính giữa bộ phát và bộ thu dừng lại. Dòng hạt mang điện thiểu số chỉ tạo ra dòng chuyển nhiệt nhỏ và không thể kiểm soát được. Do độ nghèo của đế và sự chuyển tiếp của các hạt mang điện, điện trở của chúng tăng lên rất nhiều. Vì vậy, người ta thường tin rằng một bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ cắt nghĩa là mạch hở.
4. Chế độ rào cảnỞ chế độ này, đế được kết nối trực tiếp hoặc thông qua điện trở thấp với bộ thu. Một điện trở cũng được bao gồm trong mạch thu hoặc phát, giúp đặt dòng điện qua bóng bán dẫn. Điều này tạo ra sự tương đương với một mạch diode với một điện trở mắc nối tiếp. Chế độ này rất hữu ích vì nó cho phép mạch hoạt động ở hầu hết mọi tần số, trong phạm vi nhiệt độ rộng và không phụ thuộc vào các thông số của bóng bán dẫn.

Mạch chuyển mạch cho bóng bán dẫn lưỡng cực

Vì bóng bán dẫn có ba tiếp điểm nên nói chung, nguồn điện phải được cung cấp cho nó từ hai nguồn, cùng tạo ra bốn đầu ra. Do đó, một trong các tiếp điểm của bóng bán dẫn phải được cung cấp điện áp có cùng dấu từ cả hai nguồn. Và tùy thuộc vào loại tiếp điểm nào, có ba mạch để kết nối các bóng bán dẫn lưỡng cực: với một bộ phát chung (CE), một bộ thu chung (OC) và một đế chung (CB). Mỗi người trong số họ đều có cả ưu điểm và nhược điểm. Việc lựa chọn giữa chúng được thực hiện tùy thuộc vào thông số nào quan trọng đối với chúng ta và thông số nào có thể hy sinh.

Mạch kết nối với bộ phát chung

Nhưng bên cạnh tất cả những ưu điểm, sơ đồ OE cũng có một nhược điểm đáng kể. Thực tế là sự gia tăng tần số và nhiệt độ dẫn đến sự suy giảm đáng kể các đặc tính khuếch đại của bóng bán dẫn. Vì vậy, nếu bóng bán dẫn phải hoạt động ở tần số cao thì tốt hơn nên sử dụng một mạch chuyển mạch khác. Ví dụ, với một cơ sở chung.

Sơ đồ kết nối với đế chung

Trong mạch cơ sở chung, pha tín hiệu không đảo ngược và mức nhiễu ở tần số cao sẽ giảm. Tuy nhiên, như đã đề cập, mức tăng hiện tại của nó luôn nhỏ hơn một chút so với đơn vị. Đúng, mức tăng điện áp ở đây giống như trong mạch có bộ phát chung. Nhược điểm của mạch cơ sở thông thường còn bao gồm việc phải sử dụng hai nguồn điện.

Sơ đồ kết nối với bộ thu chung

Hãy để tôi nhắc bạn rằng phản hồi tiêu cực là phản hồi trong đó tín hiệu đầu ra được đưa trở lại đầu vào, do đó làm giảm mức tín hiệu đầu vào. Do đó, việc điều chỉnh tự động xảy ra khi các thông số tín hiệu đầu vào vô tình thay đổi

Mức tăng hiện tại gần giống như trong mạch phát chung. Nhưng mức tăng điện áp nhỏ (nhược điểm chính của mạch này). Nó tiến tới sự thống nhất, nhưng luôn nhỏ hơn nó. Như vậy, mức tăng công suất chỉ bằng vài chục đơn vị.

Trong mạch thu chung, không có sự lệch pha giữa điện áp đầu vào và đầu ra. Vì mức tăng điện áp gần bằng 1 nên điện áp đầu ra khớp với điện áp đầu vào theo pha và biên độ, tức là lặp lại nó. Đó là lý do tại sao mạch như vậy được gọi là mạch theo dõi bộ phát. Bộ phát - vì điện áp đầu ra được loại bỏ khỏi bộ phát so với dây chung.

Kết nối này được sử dụng để khớp với các tầng bóng bán dẫn hoặc khi nguồn tín hiệu đầu vào có trở kháng đầu vào cao (ví dụ: bộ thu áp điện hoặc micrô tụ).

Hai từ về thác

Cũng có thể cần một bóng bán dẫn có độ nhạy tốt và đồng thời có độ lợi tốt. Trong những trường hợp như vậy, một tầng bóng bán dẫn nhạy nhưng công suất thấp (VT1 trong hình) được sử dụng để điều khiển nguồn điện của một thiết bị mạnh hơn (VT2 trong hình).

Các ứng dụng khác của bóng bán dẫn lưỡng cực

Đánh dấu

Ý kiến ​​​​hữu ích:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

thẻ:

• Linh kiện bán dẫn
• bóng bán dẫn lưỡng cực
• thiết bị điện tử

13. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Transistor

Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động và đặc điểm thiết kế, bóng bán dẫn được chia thành hai loại lớn: lưỡng cực và hiệu ứng trường.

Bóng bán dẫn lưỡng cực là thiết bị bán dẫn có hai hoặc nhiều mối nối p-n điện tương tác và ba cực trở lên, đặc tính khuếch đại của chúng là do hiện tượng tiêm và hút các hạt mang điện thiểu số.

Hiện nay, các bóng bán dẫn lưỡng cực có hai điểm nối p-n được sử dụng rộng rãi và thuật ngữ này thường được nhắc đến nhiều nhất. Chúng bao gồm các vùng (lớp) xen kẽ của chất bán dẫn có độ dẫn điện thuộc các loại khác nhau. Tùy thuộc vào tính dẫn điện của các lớp bên ngoài, người ta phân biệt các bóng bán dẫn p-p-p và các loại n-p-n.

Các bóng bán dẫn trong đó các tiếp giáp p-n được tạo ra ở bề mặt tiếp xúc của các lớp bán dẫn được gọi là phẳng

Transistor lưỡng cực là một tinh thể bán dẫn gồm ba lớp có độ dẫn điện xen kẽ và được trang bị ba dây dẫn (điện cực) để kết nối với mạch điện bên ngoài.

Trong bộ lễ phục. 1,5, một và b hiển thị ký hiệu mạch của hai loại bóng bán dẫn loại p-p-p Và p-p-p- kiểu . Các lớp ngoài cùng được gọi là vấn đềRum(E) và người sưu tầm(K), giữa chúng là căn cứ(B). Cấu trúc ba lớp có hai điểm nối p-n: ngã ba phát giữa bộ phát và cơ sở và ngã ba thu gom giữa đế và bộ thu. Germanium hoặc silicon được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu cho bóng bán dẫn.

Khi sản xuất một bóng bán dẫn, phải đáp ứng hai điều kiện:

độ dày cơ sở (khoảng cách giữa bộ phát và số)

chuyển tiếp bài giảng) phải nhỏ so với đường đi tự do của các hạt mang điện;

2) nồng độ tạp chất (và chất mang điện tích chính) trong bộ phát phải lớn hơn đáng kể so với trong bazơ (N Một >> N D V. p-p-p bóng bán dẫn).

Hãy xem xét nguyên tắc hoạt động p-p-p bóng bán dẫn.

Transistor mắc nối tiếp với điện trở tải Rк trong mạch nguồn điện áp của bộ thu E ĐẾN . Một EMF điều khiển được cung cấp cho đầu vào của bóng bán dẫn E B", như trong Hình 1.6, a. Bật bóng bán dẫn khi đầu vào ( E B , R B ) và ngày nghỉ ( E ĐẾN , R ĐẾN ) các mạch có một điểm chung - bộ phát, là điểm chung nhất và được gọi là bao gồm với bộ phát chung(OE).

Khi không có điện áp (E B =0, E ĐẾN= 0) điểm nối cực phát và cực thu ở trạng thái cân bằng, dòng điện qua chúng bằng không. Cả hai quá trình chuyển tiếp đều có một lớp điện kép bao gồm các ion tạp chất và một rào thế  o, khác nhau ở mỗi lần chuyển tiếp. Sự phân bố điện thế trong bóng bán dẫn khi không có điện áp được thể hiện trong hình. 1.6, b có nét đứt.

Phân cực của nguồn bên ngoài E B và E ĐẾN được chọn sao cho có một điện áp chuyển tiếp tại điểm nối bộ phát (trừ nguồn E B được cung cấp cho đế, cộng với bộ phát) và tại điểm nối của bộ thu - điện áp ngược (nguồn trừ E ĐẾN- tới bộ thu, cộng - cho bộ phát) và điện áp |Uke|> |Ube| (điện áp tại điểm nối bộ thu Ukb = Uke-Ube) Với sự bao gồm các nguồn như vậy E B và E ĐẾN sự phân bố điện thế trong bóng bán dẫn có dạng như trong hình. .1.6, bđường vẽ liền. Rào cản tiềm năng của điểm nối bộ phát phân cực thuận giảm, trong khi rào cản tiềm năng tại điểm nối bộ thu tăng lên. Do việc đặt một điện áp chuyển tiếp vào điểm nối bộ phát, sự khuếch tán (tiêm) các lỗ từ bộ phát đến đế bắt đầu tăng lên. Thành phần điện tử của dòng khuếch tán qua điểm nối bộ phát có thể bị bỏ qua, vì R R >>p P , vì điều kiện đã được nêu ở trên N MỘT >>N D . Như vậy dòng phát I E = I Edif R. Dưới tác dụng của lực khuếch tán do chênh lệch nồng độ dọc theo bazơ, các lỗ trống di chuyển từ bộ phát đến bộ thu. Kể từ khi cơ sở trong bóng bán dẫn được thực hiện gầy, phần chính của các lỗ được bộ phát đưa vào sẽ đến điểm nối bộ thu mà không đi vào các trung tâm tái hợp. Các lỗ này được giữ lại bởi trường của điểm nối bộ thu, bị lệch theo hướng ngược lại, vì trường này đang tăng tốc đối với các sóng mang thiểu số - các lỗ trên đế loại n. Dòng điện từ lỗ đi vào cực thu từ cực phát được đóng lại thông qua mạch ngoài, nguồn E ĐẾN . Khi dòng phát tăng I E thì dòng thu sẽ tăng I K = I E. Do xác suất tái hợp trong đế mỏng thấp nên hệ số truyền dòng phát  = I K /I E = 0,9- 0,99 .

Một phần nhỏ các lỗ do bộ phát đưa vào sẽ đi vào các trung tâm tái hợp và biến mất, tái hợp với các electron. Điện tích của các lỗ này vẫn còn trong đế và để khôi phục tính trung hòa sạc của đế khỏi mạch điện bên ngoài do nguồn bị tiêu hao. Ev electron đi vào bazơ. Do đó, dòng cơ sở đại diện cho dòng tái hợp I rec =I E (1-) Ngoài các thành phần chính đã chỉ ra của dòng điện bán dẫn, cần tính đến khả năng chuyển đổi của các sóng mang thiểu số phát sinh trong cơ sở và bộ thu là kết quả của việc tạo ra sóng mang thông qua điểm nối bộ thu, nơi đặt một điện áp ngược. Dòng điện nhỏ này (sự chuyển dịch của các lỗ từ cực gốc sang cực thu và các electron từ cực thu sang cực gốc) tương tự như dòng điện ngược r-p chuyển tiếp hay còn gọi là dòng điện ngược của điểm nối bộ thu hoặc dòng nhiệt và được ký hiệu là I kbo (Hình 1.6, a)

bóng bán dẫn hiệu ứng trường- thiết bị bán dẫn thực tế không tiêu thụ dòng điện từ mạch đầu vào.

Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường được chia thành hai loại, khác nhau về nguyên tắc hoạt động: a) với r-p chuyển tiếp; b) Loại MDP.

. 1.6.1. Transistor hiệu ứng trường vớir-p chuyển tiếp có cấu trúc, một phần được thể hiện trong hình. 1.9, A. Lớp có độ dẫn điện loại p được gọi là kênh, nó có hai đầu ra cho mạch ngoài: VỚI- làm khô hạn Và VÀ- nguồn. Lớp có loại dẫn điện P, xung quanh kênh được kết nối với nhau và có đầu ra tới mạch ngoài gọi là màn trập 3. Kết nối nguồn điện áp với thiết bị được hiển thị trong Hình. 1.9, a, trong hình. 1.9.6 trình bày ký hiệu mạch của bóng bán dẫn hiệu ứng trường với r-p kênh tiếp giáp và kênh loại p. Ngoài ra còn có các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có kênh loại n; ký hiệu của chúng được hiển thị trong Hình. 1.9, V, nguyên lý hoạt động tương tự, nhưng chiều của dòng điện và cực tính của điện áp đặt vào thì ngược nhau.

Hãy xem xét nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn hiệu ứng trường với kênh loại p. Trong bộ lễ phục. 1.9, G Họ đặc tính thoát nước (đầu ra) của thiết bị này Iс=f(Uс) tại Uз=const được đưa ra.

Với điện áp điều khiển Uzi = 0 và có nguồn điện áp nối giữa cống và nguồn bạntôi dòng điện chạy qua kênh, điều này phụ thuộc vào điện trở của kênh. Điện áp U được áp dụng đồng đều dọc theo chiều dài của kênh, điện áp này gây ra độ lệch ngược r-p chuyển tiếp giữa kênh loại p và lớp n, với điện áp ngược cao nhất tại r-p quá trình chuyển đổi tồn tại ở khu vực liền kề với cống và gần nguồn r-p quá trình chuyển đổi ở trạng thái cân bằng. Khi điện áp tăng bạntôi vùng hai lớp điện r-p quá trình chuyển đổi, làm cạn kiệt các hạt mang điện di động, sẽ mở rộng, như trong Hình 2. 1.10, MỘT. Sự giãn nở của điểm nối đặc biệt mạnh ở gần cống, nơi điện áp ngược trên điểm nối lớn hơn. Sự mở rộng r-p quá trình chuyển đổi dẫn đến sự thu hẹp kênh mang dòng điện của bóng bán dẫn và điện trở kênh tăng lên. Do điện trở kênh tăng khi Usi tăng, đặc tính cống của bóng bán dẫn hiệu ứng trường có đặc tính phi tuyến (Hình 1.9d). Ở một điện áp nào đó bạntôi biên giới r-p quá trình chuyển đổi đóng lại (đường chấm trong Hình 1.10, a) và Ic hiện tại tăng khi tăng Ucb dừng lại.

Khi đặt một điện áp dương vào cổng Uzi>0 r-p Quá trình chuyển đổi thậm chí còn dịch chuyển nhiều hơn về phía vùng điện áp ngược và độ rộng chuyển tiếp tăng lên, như trong Hình 2. 1.10.6. Kết quả là kênh dẫn dòng điện bị thu hẹp và dòng điện Ic giảm. Do đó, tăng điện áp Uzi. có thể giảm I c, như có thể thấy khi xem xét Hình 2. 1.9, G. Tại một Uzi nào đó được gọi là điện áp cắt, Thực tế không có dòng điện chảy qua. Tỷ số giữa sự thay đổi dòng điện cực I C và sự thay đổi điện áp giữa cổng và nguồn Uzi gây ra khi gọi Uс =const độ dốc:S = I C /Uzi tại Uс = const

Không giống như các bóng bán dẫn lưỡng cực, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường được điều khiển bằng điện áp và chỉ có một dòng nhiệt nhỏ Iz chạy qua mạch cổng. r-pđiểm nối dưới điện áp ngược.

Bất kỳ thiết bị điện tử nào cũng bao gồm các nguyên tố phóng xạ. Chúng có thể thụ động, không cần nguồn điện hoặc hoạt động, chỉ có thể hoạt động khi có điện áp. Chất bán dẫn được gọi là phần tử hoạt động. Một trong những thiết bị bán dẫn quan trọng nhất là bóng bán dẫn. Phần tử vô tuyến này đã thay thế các thiết bị dạng ống và thay đổi hoàn toàn mạch điện của thiết bị. Tất cả các vi điện tử và hoạt động của bất kỳ vi mạch nào đều dựa trên nó.

Cái tên “bóng bán dẫn” xuất phát từ sự hợp nhất của hai từ tiếng Anh: transfer - di động và điện trở - điện trở. Theo khái niệm được chấp nhận rộng rãi, đây là một phần tử bán dẫn có ba cực. Trong đó, giá trị dòng điện ở hai cực phụ thuộc vào cực thứ ba, khi thay đổi dòng điện hoặc điện áp tại đó giá trị dòng điện của mạch đầu ra được điều khiển. Các thiết bị lưỡng cực được điều khiển bằng sự thay đổi dòng điện và các thiết bị trường được điều khiển bằng điện áp.

Sự phát triển đầu tiên của bóng bán dẫn bắt đầu vào thế kỷ 20. Ở Đức, nhà khoa học Julius Edgar Lilienfeld đã mô tả nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn, và vào năm 1934, nhà vật lý Oskar Heil đã đăng ký một thiết bị, sau này được gọi là bóng bán dẫn. Một thiết bị như vậy hoạt động dựa trên hiệu ứng trường tĩnh điện.

Các nhà vật lý William Shockley, Walter Brattain, cùng với nhà khoa học John Bardeen, đã chế tạo nguyên mẫu đầu tiên của bóng bán dẫn điểm-điểm vào cuối những năm 40. Với việc phát hiện ra điểm nối n-p, việc sản xuất bóng bán dẫn điểm-điểm đã chấm dứt và thay vào đó, sự phát triển của các thiết bị phẳng từ germanium bắt đầu. Một nguyên mẫu hoạt động của bóng bán dẫn được chính thức trình làng vào tháng 12 năm 1947. Vào ngày này bóng bán dẫn lưỡng cực đầu tiên xuất hiện. Vào mùa hè năm 1948, các thiết bị dựa trên bóng bán dẫn bắt đầu được bán. Kể từ thời điểm đó, những bóng đèn điện tử (triode) thông dụng lúc bấy giờ bắt đầu trở thành dĩ vãng.

Vào giữa những năm 50, bóng bán dẫn phẳng đầu tiên được Texas Instruments sản xuất hàng loạt, sử dụng silicon làm nguyên liệu sản xuất. Vào thời điểm đó, việc sản xuất phần tử vô tuyến còn nhiều sai sót nhưng điều này không cản trở sự phát triển công nghệ của thiết bị. Năm 1953, một mạch điện dùng trong máy trợ thính đã được chế tạo bằng cách sử dụng bóng bán dẫn và một năm sau, các nhà vật lý người Mỹ đã nhận được giải Nobel cho khám phá của họ.

Tháng 3 năm 1959 được đánh dấu bằng việc tạo ra thiết bị phẳng silicon đầu tiên; người phát triển nó là nhà vật lý người Thụy Sĩ Jean Erni. Một cặp bóng bán dẫn đã được đặt thành công trên một con chip silicon. Từ thời điểm này sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp bắt đầu. Ngày nay, một con chip chứa hơn một tỷ bóng bán dẫn. Ví dụ: trên bộ xử lý máy tính 8 nhân phổ biến Core i7−5960X, con số của chúng là 2,6 tỷ.

Song song với những cải tiến về bóng bán dẫn lưỡng cực, việc phát triển một thiết bị dựa trên kết nối bán dẫn kim loại đã bắt đầu từ những năm 60. Phần tử vô tuyến như vậy được gọi là bóng bán dẫn MOS (chất bán dẫn oxit kim loại), ngày nay được biết đến nhiều hơn với tên gọi “mosfet”.

Ban đầu, khái niệm “bóng bán dẫn” dùng để chỉ điện trở, giá trị của nó được điều khiển bằng điện áp, vì bóng bán dẫn có thể được coi là một loại điện trở, được điều chỉnh bởi điện thế ứng dụng ở một cực. Đối với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, sự so sánh nào đúng hơn, đó là điện thế ở cổng, còn đối với các bóng bán dẫn lưỡng cực, đó là điện thế ở cực gốc hoặc dòng điện cơ sở.

Cơ sở hoạt động của thiết bị là khả năng của điểm nối n-p truyền dòng điện theo một hướng. Khi đặt điện áp vào, sự sụt giảm về phía trước xảy ra ở một điểm nối và sự sụt giảm ngược lại ở điểm nối kia. Vùng chuyển tiếp với điện áp một chiều có điện trở thấp và với điện áp ngược thì có điện trở cao. Một dòng điều khiển nhỏ chạy giữa đế và bộ phát. Giá trị của dòng điện này làm thay đổi điện trở giữa cực thu và cực phát. Có hai loại thiết bị lưỡng cực:

• p-n-p;
• n-p-n.

Sự khác biệt chỉ nằm ở hạt mang điện chính, tức là hướng của dòng điện.

Nếu bạn kết nối hai chất bán dẫn thuộc các loại khác nhau với nhau, thì một vùng sẽ xuất hiện ở ranh giới tiếp giáp, hay thường được gọi là tiếp giáp p-n. Loại độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của vật liệu, cụ thể là độ bền của các liên kết trong vật liệu. Các nguyên tử trong chất bán dẫn được sắp xếp thành mạng và bản thân vật liệu đó không phải là chất dẫn điện. Nhưng nếu các nguyên tử của vật liệu khác được thêm vào mạng thì tính chất vật lý của chất bán dẫn sẽ thay đổi. Các nguyên tử hỗn hợp hình thành, tùy theo bản chất của chúng, các electron hoặc lỗ trống tự do.

Các electron tự do hình thành tạo thành điện tích âm và các lỗ trống tạo thành điện tích dương. Có một rào cản tiềm năng trong khu vực chuyển tiếp. Nó được hình thành bởi sự chênh lệch điện thế tiếp xúc và chiều cao của nó không vượt quá một phần mười volt, ngăn cản dòng điện tích đi sâu vào vật liệu. Nếu điểm nối nằm dưới điện áp một chiều thì cường độ của hàng rào tiềm năng sẽ giảm và cường độ dòng điện đi qua nó sẽ tăng lên. Khi đặt một điện áp ngược, độ lớn của rào cản tăng lên và điện trở của rào cản đối với dòng điện đi qua tăng lên. Bằng cách hiểu hoạt động của điểm nối pn, bạn có thể hiểu cách thức hoạt động của bóng bán dẫn.

Trước hết, các thiết bị như vậy được chia thành đơn và hỗn hợp. Ngoài ra còn có cái gọi là các nguyên tố phóng xạ phức tạp. Chúng có ba thiết bị đầu cuối và được tạo thành một khối duy nhất. Các tổ hợp như vậy chứa cả bóng bán dẫn cùng loại và các loại khác nhau. Sự phân chia chính của các thiết bị xảy ra theo các tiêu chí sau:

Định nghĩa chung cho phần tử vô tuyến có thể được xây dựng như sau: bóng bán dẫn là phần tử bán dẫn được thiết kế để chuyển đổi đại lượng điện. Công dụng chính của nó là khuếch đại tín hiệu hoặc hoạt động ở chế độ phím.

Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn đối với “ấm trà” dễ mô tả hơn bằng cách tương tự với nguồn cung cấp nước. Bản thân phần tử có thể được biểu diễn dưới dạng van. Bằng cách vặn nhẹ vòi, bạn có thể điều chỉnh lưu lượng nước (cường độ dòng điện). Nếu bạn xoay tay cầm một chút, nước sẽ chảy qua đường ống (dây dẫn), nếu bạn mở vòi nhiều hơn thì lưu lượng nước cũng sẽ tăng lên. Như vậy, đầu ra của một dòng nước tỷ lệ thuận với đầu vào của nó, nhân với một giá trị nhất định. Giá trị này được gọi là mức tăng.

Một bóng bán dẫn lưỡng cực có ba cực: cực phát, cực gốc, cực thu. Bộ phát và bộ thu có cùng loại độ dẫn điện, khác với đế. Các bóng bán dẫn loại lỗ bao gồm hai vùng dẫn điện loại p và một vùng dẫn điện loại n. Loại điện tử thì ngược lại. Mỗi khu vực đều có sản lượng riêng.

Khi tín hiệu có độ dẫn điện cần thiết được đưa vào bộ phát, dòng điện trong vùng đế sẽ tăng lên. Các hạt mang điện chính di chuyển đến vùng đế, dẫn đến tăng dòng điện ở vùng kết nối ngược. Một khoản phí không gian phát sinh. Điện trường bắt đầu hút các sóng mang tín hiệu khác vào vùng kết nối ngược. Sự tái hợp một phần (sự phá hủy) các điện tích trái dấu xảy ra trong đế, do đó phát sinh dòng điện cơ sở.

Bộ phát là khu vực của thiết bị có nhiệm vụ chuyển các hạt mang điện về đế. Bộ thu là vùng được thiết kế để tách các hạt mang điện ra khỏi đế. Còn đế là nơi để bộ phát truyền lượng điện tích ngược lại. Đặc tính chính của thiết bị là đặc tính dòng điện-điện áp, chức năng của nó mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp.

Trong sơ đồ, thiết bị được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh VT hoặc Q. Nó trông giống như một vòng tròn có mũi tên bên trong, trong đó mũi tên chỉ hướng của dòng điện. Đối với PNP (dẫn thuận) mũi tên hướng vào trong và đối với NPN (dẫn ngược) mũi tên hướng ra ngoài. Để chế tạo bóng bán dẫn, người ta sử dụng germanium hoặc silicon. Những vật liệu này khác nhau về dải điện áp hoạt động của mối nối cơ sở. Đối với germanium, nó nằm trong khoảng 0,1-0,4 V và đối với silicon là từ 0,4 đến 1,2 V. Silicon thường được sử dụng.

Sự khác biệt giữa bóng bán dẫn hiệu ứng trường và bóng bán dẫn lưỡng cực là điện áp đặt vào tiếp điểm được điều khiển chịu trách nhiệm cho dòng điện đi qua.

Mục đích chính của mosfet gắn liền với tốc độ chuyển mạch tốt với rất ít điện năng cấp vào chân điều khiển. Phần tử trường có ba thiết bị đầu cuối: cổng, cống, nguồn. Khi mosfet hoạt động với điểm nối n-p điều khiển, điện thế trên cổng sẽ bằng 0 (thiết bị đang mở) hoặc có giá trị nhất định lớn hơn 0 (thiết bị đang đóng). Khi điện áp ngược đạt đến một mức nhất định, lớp chặn sẽ mở ra và thiết bị chuyển sang chế độ cắt.

Trong mosfet có tiếp giáp p-n, điện cực điều khiển (cổng) là một lớp bán dẫn có độ dẫn điện loại p và độ dẫn điện ngược lại là kênh loại n.

Hình ảnh của nó trong sơ đồ tương tự như một thiết bị lưỡng cực, chỉ có điều tất cả các đường đều thẳng và mũi tên bên trong nhấn mạnh loại thiết bị. Nguyên lý hoạt động của thiết bị MOS dựa trên tác động của sự thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn ở ranh giới vùng với chất điện môi khi tiếp xúc với điện trường. Các thiết bị hiện trường, tùy thuộc vào tiếp giáp p-n được điều khiển, có thể là:

Mỗi loài có thể có cả độ dẫn điện loại p và loại n. Hiểu một cách tổng quát, nguyên lý hoạt động không phụ thuộc vào độ dẫn điện; chỉ có cực tính của nguồn điện áp thay đổi.

Bóng bán dẫn là một thiết bị phức tạp, các quá trình vật lý diễn ra trong đó rất khó hiểu đối với những người mới bắt đầu sử dụng radio (người giả). Cách thức hoạt động của bóng bán dẫn có thể được giải thích như sau: Bóng bán dẫn là một công tắc điện tử có mức độ mở phụ thuộc vào mức dòng điện hoặc điện áp đặt vào cực điều khiển của nó (đế hoặc cổng).

Tại sao cần một bóng bán dẫn có thể được mô tả dưới dạng tổng quát. Ví dụ, phần đế (màn trập) của thiết bị là một cánh cửa. Nó mở ra nhờ tác động bên ngoài, tức là điện áp có cùng cực với bộ thu (nguồn). Căng thẳng càng lớn thì cánh cửa sẽ mở ra càng nhiều. Trước cửa có một dòng người (người mang điện tích) muốn chạy qua (bộ thu-phát hoặc nguồn-cống). Tác động vào cửa càng lớn thì cửa càng mở, đồng nghĩa với việc sẽ có nhiều người đi qua.

Do đó, hãy tưởng tượng cánh cửa như một điện trở chuyển tiếp, chúng ta có thể kết luận: tác động lên đế (cổng) càng lớn thì điện trở đối với vật mang điện chính (con người) trong trường hợp phân cực trực tiếp càng ít. Nếu đảo cực (cửa bị khóa) thì sẽ không có sự chuyển động của điện tích (người).