5.8. Использование полупроводниковых приборов

В электротехнике полупроводниковые приборы служат для генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний (диоды, транзисторы, тиристоры), преобразования энергии одного вида в другой (оптроны, фоторезисторы, фотодиоды, светодиоды, фототранзисторы, солнечные батареи, термоэлементы, термоэлектрические генераторы и др.), а также для измерения электрических и механических величин.

Особым классом полупроводниковых приборов являются интегральные микросхемы, представляющие собой законченные электронные устройства в виде единого блока из кремния или германия, в котором послойно напылением в вакууме образованы зоны, выполняющие функции пассивных и активных элементов электрической схемы — проводников, изоляторов, резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. В объёме кристалла полупроводника (его называют «микрочип») размером 5 х 5 мм и толщиной менее миллиметра удаётся разместить несколько миллионов транзисторов, причём размер каждого из них не превышает 1 микрометра.

Устройства на базе полупроводниковых материалов находят широкое применение в самых различных областях техники.

Н

Рис. 5.10. Использование вилитовых разрядников для защиты электроустановки от атмосферных перенапряжений: а — зависимость удельного электрического сопротивления вилита от напряжения; б — вентильные разрядники на воздушной линии электропередачи: 1 — волна атмосферного перенапряжения; 2 — вилитовый разрядник; 3 — трансформаторная подстанция; 4 — воздушный промежуток

а удельное сопротивление полупроводников вли-яет напряжённость электрического поля (рис. 5.10, а): при малых напряжениях оно велико, при увеличении напряжения удельное сопротивление резко снижается. На этом свойстве полупроводника — вилита (разновидность карбида кремния) — основано действие вентильных разрядников, которые служат для защиты электроустановок от опасных перенапряжений. Вентильный разрядник представляет собой стержень, составленный из вилитовых дисков диаметром 50…150 мм и толщиной 20…60 мм каждый, помещённый в изоляционный корпус из фарфора. Верхний конец стержня подключают к проводу линии, а нижний — через воздушный промежуток 4 — к заземляющему устройству (рис 5.10, б). При попадании молнии в линию электропередачи от места её удара по проводам распространяется волна перенапряжения 1, которая, достигнув трансформаторной подстанции 3, может вывести её из строя. Под действием набегающей волны перенапряжения вилитовый стержень уменьшает своё сопротивление и через ионизированный воздушный промежуток 4 замыкает провод на землю, ликвидируя перенапряжение. После снижения напряжения до безопасной величины разрядник вновь обретает высокое сопротивление и отключает провод от заземлителя.

П олупроводниковые материалы на базе кремния обладают тензорезистивными свойствами: они уменьшают своё удельное сопротивление при механических воздействиях — сжатии, растяжении, изгибе, что позволяет использовать их для изготовления тензометров — чувствительных приборов для измерения давления и деформаций.

В

Рис. 5.11. Зависимость удельного электрического сопротивления терморезисторов от температуры

лияние температуры на удельное сопротивление полупроводников используется в терморезисторах — резисторах, сопротивление которых уменьшается при повышении температуры (рис. 5.11). Их температурный коэффициент сопротивления около — –0,3 град^–1. Терморезисторы используют как чувствительные датчики температуры в автоматических системах управления нагревом жидкостей и газов, контроля и регулирования параметров микроклимата, в устройствах защиты электроаппаратов от перегрева.

Н а эффекте появления термоЭДС при наличии в полупроводнике участков с разными температурами основано действие термоэлементов, термобатарей и термогенераторов, используемых для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Наиболее ярко этот эффект проявляется у селенида свинца, сплавов теллурида висмута с селенидом висмута. Ещё во время Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. отряды, действовавшие в тылу врага, снабжались «партизанскими котелками» (рис.5.12), в двойное дно которых были встроены термобатареи. Верхние спаи элементов батареи охлаждались снегом или водой в котелке, а нижние спаи нагревались огнём костра. Электрической энергии, вырабатываемой термобатареей, было достаточно для работы связной радиостанции «Север», использовавшейся в партизанских отрядах.

Т

Рис. 5.12. Термогенератор электрической энергии (2), встроенный в днище «партизанского котелка» (1)

ермоэлектрический эффект обратим. При протекании тока внешнего источника по термоэлементу один его спай нагревается, а другой охлаждается. На этом эффекте основано действие термоэлектрических кондиционеров воздуха, холодильных контейнеров для хранения продуктов. При перемене направления протекания тока внешнего источника продукты в контейнере подогреваются.

Влияние оптических излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного) на удельное сопротивление полупроводников используется в фоторезисторах. Фоторезисторы под действием излучения уменьшают своё сопротивление. Их изготовляют из германия, кремния, сплавов теллура со свинцом, кадмием, медью. Фоторезисторы обладают ярко выраженной избирательной чувствительностью к излучениям определённой длины волны.

Полупроводники обладают фотоэлектрическим эффектом: если на поверхности материала имеются освещённая и затемнённая зоны, то между ними возникает фотоЭДС.

С

Рис. 5.13. Селеновый фотоэлемент: 1.— защитный слой лака; 2 — прозрачный серебряный электрод; 3 — слой селена; 4 — металлическая подложка

еленовые фотоэлементы (рис. 5.13) широко применяются для измерения освещённости, так как их спектральная чувствительность близка к аналогичной характеристике глаза человека. Селеновый фотоэлемент состоит из металлической подложки 4, на которую нанесён слой селена 3, а на него напылён тончайший прозрачный электрод 2 из серебра, золота или платины. Между освещенной поверхностью селена под прозрачным электродом и тёмной поверхностью селена, обращённой к подложке, возникает фотоЭДС, под действием которой по измерительному прибору протекает ток, пропорциональный освещённости фотоэлемента. Селеновый фотоэлемент не нуждается в источнике питания, обладает чувствительностью около 500 мкА/лм , ток достаточно велик для измерения без дополнительного усилителя.

Кремниевые фотоэлементы развивают фотоЭДС до 0,5 В и выше. Даже при пока ещё невысоком КПД (около 10 % при теоретически возможном — 50 %), с квадратного метра солнечной батареи, составленной из кремниевых фотоэлементов, ныне получают мощность около 60 Вт. Такие фотоэлементы используются как для питания часов, радиоприёмников и калькуляторов, так и в установках энергообеспечения космических аппаратов.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите наиболее распространённые полупроводниковые материалы, укажите их основные свойства. 2. Какова технология получения сверхчистых германия и кремния? 3. Какова природа электрического тока в полупроводниках? 4. Чем объясняется изменение проводимости полупроводников при внешних воздействиях? 5. Поясните понятия собственной и примесной, электронной и дырочной проводимостей полупроводников. 6. Поясните физическую сущность явлений на электронно-дырочном переходе. 7. Каков принцип действия полупроводникового диода и какова его вольт-амперная характеристика? 8. Укажите области применения и примеры использования полупроводниковых устройств.