Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником - [16]

Поскольку полупроводниковые материалы и структуры из них весьма разнообразны, то и приборов на их основе создано, помимо перечисленных, и будет еще создаваться очень много. Однако, прервем на этом наш обзор, отнеся лишь рассмотрение фото- и светодиодов, в раздел оптоэлектронных компонентов.

Тиристоры

Развитие силовой полупроводниковой электронной техники шло по пути вытеснения электровакуумных и газоразрядных приборов из выпрямителей и преобразователей.

Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющими три или более р-n переходов. Поскольку в качестве полупроводника в тиристорах используется кремний, то в отечественной литературе их также называют кремниевыми управляемыми вентилями.

Тиристоры широко используются для регулирования мощности постоянного и переменного тока в нагрузке за счет ее включения и выключения. Тиристоры были изобретены примерно через десять пет после изобретения биполярного транзистора, который имеет трехслойную структуру (р-n-р или n-р-n). Простейший тиристор имеет четырехслойную структуру (р-n-р-n). На первый взгляд может показаться, что здесь нет ничего нового: просто два диода (р-n) перехода, соединенных последовательно. Однако это совсем не так.

Соединив два диода последовательно, получим такую цепь: проводник (анод) — р слой — n слой — проводник — р слой — n слой — проводник (катод). Отличие заключается в том, что в такой неправильной модели в средней части структуры область n-р перехода заменяется проводником, и… «вместе с водой выплескивается ребенок». Именно эта обратно смещенная область разделяет всю структуру и играет поэтому роль первой скрипки. При подаче на такую структуру напряжения — плюс к аноду, минус — к катоду, два крайних р-n перехода будут открыты (как прямо включенные диоды), а средний n-р переход будет закрыт (обратно смещенный диод), и вся структура окажется запертой (сквозной ток будет близок к нулю). Если напряжение на этом переходе превысит некоторый предел — напряжения включения — U_вкл, то структура как бы открывается. Можно также дополнительно управлять этим процессом, сделав дополнительный вывод (управляющий электрод) от срединной области р и задавая определенный ток управления I_ynp.

Тиристоры, имеющие два вывода, т. е. диодные тиристоры называют динистороми, а триодные — тринисторами. Вообще же, для образования названия этого класса полупроводниковых приборов — тиристоры — был использован смешанный способ аббревиации путем сложения греческого тира (thyra — дверь) и части слова резистор (или транзистор). Роль открытой или запертой «двери» играет вышеупомянутая область n-р перехода, а роль «ключа» к ней — напряжение для диодной структуры и управляющий электрод — для триодной (рис. 13).

Рис. 13.Тиристоры:

_{а — внешний вид; б — УГО и компоненты EWB}

Правда, введение этих красочных метафор в электронику было выполнено ранее для газоразрядных приборов с управляющей сеткой — тиратронов, вытесненных тиристорами.

Основными параметрами тиристоров являются: напряжение и ток включения, удерживающий ток и напряжение в открытом состоянии, отпирающий ток управляющего электрода и максимальное обратное напряжение.

В вышеописанных тиристорах рабочий ток протекал только при положительной полярности приложенного напряжения, т. е. их ВАХ не симметрична, что с успехом используется в управляемых выпрямителях. Потребность в управляемых источниках переменного тока привела вначале к использованию «встречновключенных» пар тиристоров, а затем к созданию приборов с симметричными характеристиками. Эти тиристоры были названы американской фирмой «General Electric» диак (DIAC — Diode AC semiconductor switch) и триак (TRIAC — Triode AC semiconductor switch). В отечественной литературе симметричные тиристоры называют симисторами. Эти приборы имеют многослойную полупроводниковую структуру из чередующихся типов проводимости: n-р-n-р-n, что и приводит к своеобразию их ВАХ.

Транзисторы

Биполярные транзисторы

Еще на заре развития радиоэлектроники для детектирования колебаний использовался контакт тонкой проволочки («кошачьих усов») с полупроводниковым минералом галенитом. В 1921–1922 гг. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев на основе полупроводникового диода создает знаменитый «Кристадин», где впервые используется особый режим усиления высокочастотных колебаний. Однако эти исследования были оставлены без должного внимания и несправедливо забыты. Господство электронных ламп продолжалось.

Перенесемся мысленно на полстолетия назад в лабораторию известной телефонной компании «Белл», где группа физиков возобновила прерванные войной исследования в области полупроводниковых материалов. Руководит группой физик-теоретик Уильям Шокли, вместе с ним работает физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн.

Изучая полупроводники, Шокли намеривался в соответствии с разработанной им теорией воздействовать на ток, протекающий в них, электрическим полем. Этот эксперимент, как бы повторяющий идею электронно-вакуумного триода, не дал положительных результатов. Тогда Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах постигшей их неудачи, решили провести более детальные исследования с точечными контактами металла и поверхности полупроводника. Пластинка кристалла германия