Учебно-методический комплекс по дисциплине “Моделирование процессов бурения ” (стр. 11 )

Ненадежность вакуумных ламп вызвана относительно частым перегоранием нагревательной спирали 8. Проблему решило появление полупроводников

По электропроводности физические тела делятся на три группы: диэлектрики, проводники и полупроводники. Удельное сопротивление первых (это стекло, слюда, нефтепродукты) огромно – от 10до 10 Ом*см. Поэтому они ток практически не пропускают. Наоборот, удельное сопротивление проводников (металлы, электролиты) является исключительно низким: от 10 до 10 Ом*см.

Полупроводники занимают промежуточное положение. Их изучение началось вскоре после войны, в конце 40-х годов прошлого века. Было обнаружено, что на сопротивление полупроводников действуют такие факторы, как температура и свет (с ростом их интенсивности сопротивление падает), а также электромагнитное поле. Кроме того, было установлено, что сопротивление полупроводниковых элементов (в частности кремния и германия) резко уменьшается по мере их загрязнения другими элементами. На рис. 7.3 А схематично представлена кристаллическая решетка кремния. Положительно заряженное ядро 1 окружено несколькими электронными слоями 2. Кристаллическая решетка зависит от внешнего слоя, состоящего из четырех электронов. Эти электроны скрепляют решетку, связывая каждый атом с четырьмя соседними

На рис.7.3. Б кремний загрязнен сурьмой (ее символ Sb). У сурьмы во внешнем слое не 4, а 5 электронов. Из них четыре встроены в кристаллическую решетку, будучи связаны с соседними атомами кремния, а один электрон оказывается свободным. Такие электроны обеспечивают электронную или отрицательную – типа (negative) – проводимость. Эта проводимость подобна проводимости металлов, структура которых также содержит свободные электроны.

Рис. 7.3 Схема кристаллической решетки полупроводника кремния (Si))

А – химически чистого; Б – загрязненного сурьмой; В – загрязненного индием; 1 – ядро атома; 2 – внутренние электронные оболочки; 3 – электроны наружной оболочки

На рис.7.3 В кремний загрязнен индием (символ In). У индия во внешнем слое не 4, а только 3 электрона. В кристаллической структуре кремния образуются “дырки”, представляющие собой (ввиду дефицита электронов, т. е. отрицательных зарядов) положительные заряды. При подаче напряжения дырки (как и электроны) способны перемещаться. На рис 7.3 В стрелка показывает, как при подаче отрицательного напряжения слева, электрон атома кремния, отталкиваясь, перескакивает в находящуюся правее положительно заряженную дырку. При этом он образует дырку там, откуда он перескочил. Сама же дырка таким образом как бы перескочила влево Эта дырка будет занята следующим еще более “левым электроном” и, таким образом при перескакивании электронов слева направо образуется движение (ток) дырок справа-налево. Проводники с дырочной проводимостью, называются проводниками типа (positive).

Полупроводники с электронной и дырочной проводимостями стали создавать специально. Это позволило разработать современную полупроводниковую технику.

Рис. 7.4 показывает состыкованные друг с другом полупроводники обоих рассмотренных типов. Плоскость стыковки называется – переходом. При подаче напряжения, как показано на виде А, насыщающие полупроводник типа электроны, отталкиваются от подаваемого отрицательного заряда и, преодолевая переход, через полупроводник типа продвигаются к положительной клемме. При этом, на место ушедших электронов из цепи поступают новые. Аналогичный процесс происходит с дырками в полупроводнике , но они двигаются в противоположном направлении – от плюса к минусу. Диод открыт. Через диод, нагрузку и питающую батарею идет ток.

Рис. 7.4. Полупроводниковый диод

А – диод открыт ; Б – диод закрыт. В – условное обозначение диода

На рис. 7.4 Б на диод подано напряжение противоположной полярности. Электроны из зоны притягиваются к положительной клемме, дырки из зоны – к отрицательной. Число тех и других зарядов в диоде ограничено, и по мере их ухода из диода лишенный зарядов – переход расширяется. Ток становится невозможен. Диод закрыт.

Рис. 7.5. Транзистор

I – вид, отражающий физическую сущность ; II – условное обозначение ; Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор; КБ – коллекторная батарея; R – нагрузка (сопротивление);J – ток; А – точка съема сигнала 1 – положительный импульс (бит); 0 – нулевой импульс.

Транзистор – это полупроводниковое электронное реле (полупроводниковый аналог вакуумного триода), На рис. 7.5 I он представлен как комбинация двух полупроводников с одним полупроводником, расположенным между ними. На один из полупроводников (нижний на схеме) от батареи КБ подается минус. Этот полупроводник получил название “эмиттер” (излучатель). На верхний полупроводник подается плюс. Это “коллектор” (собиратель). Полупроводник типа , на который можно подавать как положительный, так и отрицательный потенциалы, получил название базы.

Сравнив рис. 7.5 и 7.2, легко (несмотря на различную физическую природу) заметить функциональную аналогию: Как и катод лампового триода эмиттер транзистора содержит избыток электронов. Последние стремятся оттолкнуться от подаваемого на них минуса и, преодолев расстояние, соответствующее длине устройства, достичь плюсового контакта коллектора (аналога анода).

Тонкий прослой полупроводника типа (база) выполняет функцию сетки триода. Если на базу подать плюс, то насыщающие эмиттер электроны устремятся к базе и, ввиду ее малой толщины, пройдут ее насквозь, чтобы достичь обладающего более высоким, чем база, положительным потенциалом коллектора. Создастся электрический ток. Если же на базу подать минус, то ток прекратится. Таким образом (как и с помощью сетки триода), с помощью базы транзистора можно либо “включить” ток , либо его “выключить”.

Рассмотрим работу транзистора в качестве электронного реле. На рис. 7.5. плюсовая клемма батареи КБ обозначена тремя знаками +. Здесь положительный потенциал максимален. На виде 7.5 I на базу подан небольшой положительный потенциал (обозначенный одним знаком +). Как упоминалось, это вызывает прохождение через схему тока (в соответствии с принятой традицией направление тока указано от плюса к минусу). При движении тока на сопротивлении происходит падение напряжения. По этой причине потенциал точки , расположенной после сопротивления, обозначен только двумя знаками +. Если же на базу подать минус (рис. 7.5 II), то ток прекратится, падения напряжения на сопротивлении не произойдет, и в точке сохранится высокий потенциал батареи “три плюса”.

Точку принимают за “выход” транзистора, ее потенциал передается на различные элементы компьютера, причем высокий потенциал – “три плюса” считается двоичной единицей, а низкий “два плюса” – нулем.

Широко используемые в компьютерах триггеры служат для записи и хранения 2-ичной цифры (бита). Триггер представляет собой комбинацию двух транзисторов и . Их базы и через сопротивления и соединены с выходами транзисторов иного номера ( – с , а – с ). К базе через диод подключен вход , а к базе через диод – вход . Вход может быть подключен к обеим базам.