Półprzewodniki wciąż na topie

Wracając do podstaw

Na początku był chaos… i lampy elektronowe, w których wnętrzu w warunkach zbliżonych do próżni strumień elektronów był sterowany przez napięcie wytwarzane na metalowych elektrodach i siatkach.

Potem nastała era układów półprzewodnikowych. Wielu z nas pamięta czasy, gdy modne określenie „półprzewodnikowy” znaczyło „najnowocześniejszy”. (W języku angielskim określenie solid state circuit/device – dosłownie układ o strukturze ciała stałego – odzwierciedla historyczny moment przejścia z technologii lamp próżniowych na technologię półprzewodników, czyli ciał stałych – przyp. tłum.) W układach półprzewodnikowych takich jak tranzystory środowiskiem, w którym poruszają się elektrony, jest ciało stałe. Najprostszym tego rodzaju elementem jest dioda, jednak nawet najbardziej skomplikowane układy dużej skali integracji działają na tych samych zasadach.

Istotą działania radia jest prostowanie sygnału radiowego pochodzącego ze stacji nadawczej. Prostowanie polega na przekształceniu prądu przemiennego w stały (jednokierunkowy). W przypadku szybko zmieniającego się sygnału RF prostownik zamienia sygnał prądu przemiennego wielkiej częstotliwości na wyprostowany prąd tętniący, którego wartość zmienia się zgodnie z wysokością częstotliwości akustycznej. Warto wiedzieć, że jeden z pierwszych prostowników miał strukturę ciała stałego i składał się z kryształu galeny (siarczek ołowiu, PbS) i drutu stykowego. Kryształ ten nie jest ani dobrym przewodnikiem, ani izolatorem, ale stanowi materiał zbliżony własnościami do półprzewodnika. Koniec drutu stykowego porusza się w pobliżu kryształu do momentu wytworzenia się złącza.

Choć wydaje się to nieprawdopodobne, radio kryształkowe (detektorowe) można zbudować z dwustronnej żyletki i wygiętej agrafki. Kiedy czubek agrafki styka się z dodatnio naładowaną częścią żyletki, następuje prostowanie sygnału, który może nawet zasilać odpowiednio czułe słuchawki, jeżeli znajdujemy się dostatecznie blisko stacji nadawczej.

Współczesna dioda półprzewodnikowa działa na tej samej zasadzie. Zbudowana jest z dwóch podobnych, ale różniących się pod pewnymi względami materiałów, z których jeden przyjęło się określać jako obszar typu n (ang. negative – ujemny), a drugi typu p (ang. positive – dodatni) (rys. 1). Materiał typu n charakteryzuje się ujemnym ładunkiem, ponieważ występuje w nim nadmiar elektronów. Ma on także stosunkowo duże rozmiary, podobnie jak kryształ lub żyletka. Materiałem półprzewodnikowym tego typu jest zazwyczaj krzem. W droższych i bardziej wydajnych układach dla wielkich częstotliwości stosuje się arsenek galu. Producenci półprzewodników krzemowych uzyskują materiały typu n, dodając do półprzewodnika domieszki arsenu i fosforu, a typu p – domieszki boru.

Rysunek 1. W materiale typu p znajduje się dużo dziur, a mało elektronów. Z kolei w materiale typu n występuje dużo elektronów, ale mało dziur. Złącze p-n tworzy się poprzez połączenie obu tych materiałów. Wówczas dziury z obszaru typu p dyfundują do obszaru typu n, natomiast elektrony z obszaru typu n dyfundują do obszaru typu p. W pobliżu złącza na obszarze typu p tworzy się przestrzenny ładunek ujemny, a po drugiej stronie na obszarze typu p powstaje przestrzenny ładunek dodatni. Całkowita wartość prądu przepływającego przez złącze jest równa zeru

 Rysunek 2. Przyłożenie ujemnego napięcia do obszaru typu p wywołuje polaryzację złącza w kierunku zaporowym. Powoduje to powiększenie się warstwy zaporowej i duży wzrost impedancji. Elektronom jest bardzo trudno przedostać się przez warstwę zubożoną złącza

 Przez materiał typu n prąd przepływa w ten sam sposób jak w przewodzie elektrycznym: jest nim ruch nadmiarowych elektronów. Półprzewodniki typu p mają ładunek dodatni, ponieważ występuje w nich „niedomiar” elektronów. Obszar p jest stosunkowo niewielki, podobnie jak drut stykowy w diodzie krystalicznej. Brakujące elektrony określa się mianem dziur, a przepływ prądu polega na przeskakiwaniu elektronów pomiędzy dziurami. Można również powiedzieć, że owe dziury poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu elektronów. Jeżeli przyrównamy ruch elektronów do ruchu samochodów w ulicznym korku, w którym każdy kolejny samochód posuwa się do przodu na miejsce poprzedniego, to oddalonemu obserwatorowi może się wydawać, że odstępy między samochodami przemieszczają się do tyłu – choć to oczywiście samochody poruszają się do przodu. Pojęcie dziur odnosi się jedynie do sposobu, w jaki elektrony poruszają się w obszarze typu p.

Złącze p-n

Zetknięcie obszarów p i n powoduje wytworzenie złącza p-n. Wówczas elektrony z obszaru typu n, znajdujące się na tyle blisko złącza, że oddziaływuje na nie dodatni ładunek z obszaru typu p, przekraczają złącze, prowadząc do wytworzenia tzw. warstwy zaporowej. Pozostałe nadmiarowe elektrony w obszarze n pozostają na swoich miejscach, generując wyłącznie ujemny ładunek.

Jeżeli do obszaru typu p przyłożymy ujemne napięcie, dodatkowy ładunek ujemny spowoduje zwiększenie warstwy zaporowej i tym bardziej uniemożliwi elektronom przekraczanie złącza (rys. 2). Wytworzona impedancja jest bardzo wysoka i uniemożliwia przepływ większego prądu, a działanie to określa się jako polaryzację w kierunku zaporowym.

Z kolei przyłożenie dodatniego napięcia do obszaru typu p spowoduje przekroczenie złącza przez większą liczbę elektronów i przepływ prądu w obwodzie. W takim przypadku dioda zostaje poddana polaryzacji w kierunku przewodzenia i charakteryzuje się bardzo niską impedancją (rys. 3). Stosunek impedancji przy polaryzacji w kierunku zaporowym do impedancji przy polaryzacji w kierunku przewodzenia wynosi co najmniej 10:1 i może być wielokrotnie wyższy.

Tranzystor składa się z zespołu dwóch złączy p-n. W jego środku znajduje się bardzo cienka warstwa materiału, stanowiąca barierę między dwoma , obszarami zewnętrznymi. Tranzystor składa się z następujących obszarów: emiter – emituje elektrony (lub dziury), baza – steruje przepływem prądu, kolektor – pochłania elektrony (dziury). W tranzystorze typu n-p-n emiter i kolektor wykonane są z materiału typu n (rys. 4). W emiterze zbudowanym z materiału typu n występuje nadmiar wolnych elektronów. Materiał typu p służy do sterowania przepływem elektronów z emitera do kolektora.

Rysunek 3. Przyłożenie dodatniego napięcia do obszaru typu p wywołuje polaryzację złącza w kierunku przewodzenia. Powoduje to znaczne zmniejszenie się warstwy zaporowej i duży spadek impedancji. Dzięki temu przez złącze może przeniknąć znacznie więcej prądu

Rysunek 4. Jeżeli tranzystor porównamy do kanapki, to obie warstwy chleba odpowiadają temu samemu rodzajowi półprzewodnika, a środek kanapki stanowi odmienny rodzaj przewodnika. W tranzystorze n-p-n emiter i kolektor zbudowane są z materiału typu n, natomiast baza wykonana jest z materiału typu p

Rysunek 5. Polaryzacja złącza emiterowego w kierunku przewodzenia wywołuje przepływ prądu z emitera do bazy. Brak połączenia z kolektorem powoduje, że przez złącze kolektorowe przepływa niewielki prąd (złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym)

Rysunek 6. Nadanie złączu kolektorowemu dużej polaryzacji w kierunku zaporowym wywołuje przepływ prądu przez tranzystor. Stosunkowo mały prąd na złączu emiterowym powoduje przepływ znacznie większego prądu na złączu kolektorowym. Jeżeli w obwodzie między kolektorem a emiterem prąd przepływa przez obciążenie takie jak opornik, wytwarza się napięcie o wartości odpowiednio większej w stosunku do napięcia między bazą a emiterem

Jak to ma miejsce w diodzie, polaryzacja złącza emiterowego (emiter-baza) w kierunku przewodzenia powoduje przepływ prądu z emitera poprzez złącze do bazy (rys. 5). Brak połączenia z kolektorem powoduje, że między bazą a kolektorem przepływa bardzo mały prąd.

Jeżeli złącze kolektorowe (baza-kolektor) podda się dużej polaryzacji w kierunku zaporowym (do kolektora przyłoży się duże napięcie dodatnie), elektrony z kolektora, które już przekroczyły to złącze, są z powrotem wychwytywane przez kolektor, a elektrony, które przemieściły się z emitera do bazy, są również przyciągane przez wysokie dodatnie napięcie kolektora. W obwodzie emiter-baza nadal przepływa niewielki prąd, jednak prąd o znacznie większym natężeniu przepływa w obwodzie kolektora (rys. 6). Niewielka polaryzacja złącza emiterowego steruje przepływem znacznie większego prądu w obwodzie emiter-kolektor, czego efektem jest wzmocnienie sygnału. Natężenie prądu przepływającego przez emiter jest sumą słabego prądu przepływającego przez bazę i dużego prądu w kolektorze. Większe rozmiary kolektorów wynikają z konieczności kompensowania ciepła wytwarzanego przez prąd o dużym natężeniu oraz zapewnienia wolnym elektronom w bazie odpowiednio dużej przestrzeni docelowej.

Odwrócenie polaryzacji

Tranzystor p-n-p działa podobnie, z tym tylko zastrzeżeniem, że w odniesieniu do niego stosuje się odwrotne polaryzacje. Jak w przypadku tranzystora n-p-n, stosunkowo niewielka polaryzacja w kierunku przewodzenia na złączu emiter-kolektor powoduje przepływ dużego prądu przez złącze kolektorowe spolaryzowane w kierunku zaporowym. Przyjęto zasadę, że nośnikami prądu w tranzystorze n-p-n są elektrony, a w tranzystorze p-n-p – dziury. Należy jednak pamiętać, że termin „dziura” odnosi się do miejsca, w którym brakuje elektronu, a przepływ dziur to w rzeczywistości przeskakiwanie elektronów pomiędzy kolejnymi dziurami. Zasada ta odnosi się do obu typów tranzystorów.

W artykule przedstawiono zasadę działania prostych diod i tranzystorów. Istnieje jednak wiele konstrukcji tych elementów, a niewielkie zmiany własności mechanicznych, napięć polaryzacji czy materiałów służą przystosowaniu ich do konkretnych zadań, takich jak regulacja, dopasowanie falowe lub technika wielkich częstotliwości. Zaprezentowane podstawy teoretyczne odnoszą się zarówno do małych urządzeń przetwarzających sygnały w telefonach komórkowych, jak i sterowników wysokiej mocy w napędach z regulacją częstotliwości.

Wendell Rice, inżynier sterowania z 25-letnim doświadczeniem, pracuje w firmie Parsons Technical Services.

Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka

Autor:

Wendell Rice, inżynier sterowania, Parsons Technical Services, USA